葉偉康 薛宇曦 吳慧瑩 趙敏

摘? ?要：在噴藥機器人比賽中，視覺識別成為機器人完成任務(wù)不可缺少的重要功能。為了實現(xiàn)機器人自主識別和噴藥，文章采用了Pixycam視覺模塊，以SPI方式與Arduino控制器相連接，設(shè)計了可靠的運動系統(tǒng)和噴藥系統(tǒng)。通過Pixy自帶的CCC算法來實現(xiàn)對目標的識別、接近和噴藥。

關(guān)鍵詞：機器視覺;顏色追蹤;Pixycam;Arduino

根據(jù)2019年中國機器人大賽比賽規(guī)則，在機器人噴藥項目中需要對雜草進行識別。然而市面上普遍流行的視覺模塊都具有算法復(fù)雜、入門要求高等特點，不利于初學者接觸和使用。經(jīng)過查閱、討論、研究后，發(fā)現(xiàn)Pixy作為一個集成化程度比較高的視覺模塊，非常適合剛接觸機器人視覺的創(chuàng)客使用。為了能更好地識別雜草，達到準確噴藥的目的，本研究將Arduino控制器和Pixycam視覺模塊相結(jié)合，使用C語言進行編程。本文著重介紹Pixycam簡單視覺系統(tǒng)的原理和使用方法，并結(jié)合案例分析來實現(xiàn)對目標位置、大小、顏色的精確識別，從而達到比賽所要求的精準噴藥效果。

1? ? 主要硬件介紹

1.1? Arduino? UNO介紹

Arduino UNO板基于ATMEGA328單片機。同時，基于AVR平臺，對AVR庫進行了二次編譯封裝，大大降低了軟件開發(fā)難度。只需根據(jù)自身系統(tǒng)要求下載官方Arduino IDE便可以編程。適合初學者編程、學習[1]。

1.2? Pixycam介紹

Pixy是內(nèi)基梅隆機器人研究所在2014年推出的視覺模塊，可以支持連接不同的控制器，支持多種接口選項，如串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）串行、USB 、集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）或數(shù)字/模擬（Digital-to-Analog，D/A）輸出，Pixy的CCC算法（計算來自圖像傳感器的每個RGB像素的顏色（色調(diào)）和飽和度，并將它們用作主要過濾參數(shù)）[2]能夠記住7種不同的顏色代碼，通過PixyMon軟件可以輕松捕捉需要識別物體的顏色[3]。

1.2.1? Pixy視覺模塊的原理

所謂圖形處理就是視覺傳感器將圖像信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)電壓信號，最后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理的過程。如今的視覺識別系統(tǒng)主要有兩種搭建方案：

（1）使用Matlab或OpenCV等軟件來進行編碼，搭配一般的攝像頭來實現(xiàn)圖像處理。

（2）使用Pixycam或Openmv等具有圖像處理能力的相機，通過官方的用戶界面來實現(xiàn)簡單的視覺識別。

雖然OpenCV在很多高端領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但它上手比較困難，具有非常復(fù)雜的算法。而Pixycam相比較而言更加簡單方便，同時也能達到需要的效果。因此，本文選擇Pixy作為機器人的識別模塊。

1.2.2? Pixy視覺模塊使用方法

Pixycam作為一款集成化比較高的視覺傳感器，通過官方軟件平臺PixyMon來實現(xiàn)對目標的選取，以識別雜草為例，打開PixyMon，只要簡單的3步：選擇Action→選擇Set signature 1→在畫面中選擇目標，就能選中需要識別的目標，如圖1所示。

識別完雜草之后，需要在Pixycam和Arduino之間建立起通信。這里采用的是SPI連接方式（Pixy同時支持UART串行、I2C、數(shù)字/模擬輸出等）。在連接之前需要把Pixycam關(guān)于Arduino的庫文件安裝到Library文件夾下。這樣就能夠在Arduino IDE上直接調(diào)用封裝好的程序進行編程。由于使用的是SPI，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C要快，速度可到達1 Mbits/s，能進行數(shù)據(jù)高速處理。在Arduino IDE中只需要引入#include 庫便可以輕松在串口監(jiān)視器中獲得目標物體的位置、大小和顏色，如圖2所示。根據(jù)這些數(shù)據(jù)再配合上一些簡單的傳感器便能實現(xiàn)機器人的噴藥功能。

2? ? 硬件電路與程序設(shè)計

總體方案設(shè)計如圖3所示。

根據(jù)比賽規(guī)則，噴藥機器人需要對c區(qū)花盆中的雜草進行識別。因此，需要機器人能夠自主接近目標并進行噴藥。

2.1? 硬件電路的組成

硬件電路由Arduino UNO控制板[4]、Pixycam視覺識別模塊、超聲波模塊、降壓模塊（Arduino板推薦輸入電壓為7～12 V）、步進電機驅(qū)動模塊和SX1278無線模塊組成。

（1）Arduino UNO作為控制板負責接收和處理Pixycam傳輸過來的數(shù)據(jù)，并控制運動系統(tǒng)接近、噴藥系統(tǒng)進行噴藥。

（2）Pixycam視覺模塊和超聲波模塊協(xié)同識別和尋找目標。

（3）步進電機驅(qū)動器共陽極連接，脈沖控制車輪運動。

（4）SX1278無線模塊通過UART串行連接，把Arduino UNO串口數(shù)據(jù)傳輸給PC端，方便對數(shù)據(jù)進行分析。

2.2? 噴藥裝置構(gòu)成

噴藥裝置主要由SG90舵機、小型水泵和扇形噴頭組成。舵機可以調(diào)整噴頭的方向，根據(jù)Pixy處理后通過串口傳輸輸出關(guān)于目標的x方向和y方向的坐標，調(diào)整噴頭朝向，最后，在目標范圍內(nèi)進行準確噴藥。

2.3? 程序設(shè)計

如圖4所示，啟動噴藥機器人后，Pixycam開始尋找目標（雜草）并通過超聲波模塊來確定目標位置。在確定目標位置后，步進電機驅(qū)動車輪，使噴藥機器人接近目標。通過Pixycam輸出的目標坐標x，y值，控制舵機角度從而調(diào)整噴頭，使其對準雜草并噴藥。完成噴藥后繼續(xù)前進尋找下一個目標[5]。

3? ? 結(jié)語

根據(jù)比賽要求設(shè)計的噴藥機器人，以Pixycam模塊為視覺識別核心，能夠完美實現(xiàn)對目標（雜草）的識別。同時，Pixycam由于集成化程度高、使用簡單等特點，能夠?qū)Ω鞣N目標進行識別和追蹤。在之后的研究中，運用相同的原理可以將Pixycam使用到循跡、避障、識別二維碼等項目中，并實現(xiàn)更多較為復(fù)雜的功能。希望Pixycam使更多的創(chuàng)客能夠認識到Pixycam簡單而強大的視覺識別能力。