顧禎婕，文 哲，高宇杰

（中國(guó)民航大學(xué)，天津 300300）

華北五省機(jī)器人比賽的競(jìng)技體育項(xiàng)目是一項(xiàng)適合剛?cè)腴T(mén)學(xué)習(xí)單片機(jī)的學(xué)生參加的比賽，本文針對(duì)其中類(lèi)人機(jī)器人的投籃項(xiàng)目展開(kāi)研究。OpenMV作為一種可編程的視覺(jué)模塊，得到廣泛應(yīng)用，其成本低廉，操控簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣闊，能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、自動(dòng)化。類(lèi)人機(jī)器人在救援探險(xiǎn)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用需求，備受青睞，機(jī)器人研究是當(dāng)今熱門(mén)課題之一。目前，類(lèi)人機(jī)器人憑借其自身優(yōu)勢(shì)得到廣泛的研究、應(yīng)用。機(jī)器人工作范圍廣泛、所需要的人力資源少等優(yōu)點(diǎn)使得各式各樣的機(jī)器人深入研究層出不窮。研究目的是能夠運(yùn)用一個(gè)新型類(lèi)人機(jī)器人，連接OpenMv攝像頭，完成攝像頭對(duì)籃球、籃筐底座等相關(guān)物體的識(shí)別，使機(jī)器人自主完成抓球與投籃的動(dòng)作，保證投籃率，驗(yàn)證了基于OpenMv的投籃機(jī)器人可以完成自主投籃，為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化、人性化提供了新的思路[1]。

1 類(lèi)人機(jī)器人介紹

1.1 類(lèi)人機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)

本次用到的機(jī)器人有17個(gè)自由度，手臂各3個(gè)，左、右腿部各5個(gè)，頭部一個(gè)，其中，頭上的舵機(jī)用來(lái)放OpenMv攝像頭。每個(gè)自由度由一個(gè)LDX-218型舵機(jī)控制，通過(guò)PCA9685舵機(jī)擴(kuò)展板發(fā)送每個(gè)關(guān)節(jié)的指令[2]。

1.2 PCA9685舵機(jī)擴(kuò)展

PCA9685舵機(jī)擴(kuò)展可同時(shí)控制8個(gè)舵機(jī)。若把PCA9685舵機(jī)擴(kuò)展板背部焊點(diǎn)連接起來(lái)，如圖1右上方框內(nèi)部分所示，更改I2C協(xié)議的地址，可以控制更多的舵機(jī)。兩個(gè)舵機(jī)拓展板疊插使用最多可以同時(shí)控制16個(gè)舵機(jī)，以此類(lèi)推。

舵機(jī)采用4.8～6 V的電源供電，也可以采用4節(jié)或者5節(jié)干電池來(lái)供電，在考慮了機(jī)器人整體輕便性與動(dòng)作靈活性的基礎(chǔ)上，建議采用7.2 V鋰電池。務(wù)必注意不能直接使用3.7 V的鋰電池來(lái)供電，會(huì)使舵機(jī)供電不足而缺乏扭矩[3]。

1.3 舵機(jī)調(diào)試上位機(jī)軟件

機(jī)器人共有17個(gè)舵機(jī)，只需要用到其中的17路[4]。在Robot上位機(jī)軟件中，找到每個(gè)舵機(jī)對(duì)應(yīng)的編號(hào)，拖動(dòng)滑塊使舵機(jī)轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的角度，更新動(dòng)作后保存即可。完成投籃任務(wù)需要的動(dòng)作有直走、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。需要注意的是，起始點(diǎn)、撿球點(diǎn)、籃筐三點(diǎn)直線，因此直走需要調(diào)得越直越好。把這3個(gè)動(dòng)作下載到相應(yīng)的動(dòng)作組里，在程序中調(diào)用即可。

圖1 疊插擴(kuò)展板需要連接的引腳

2 LAB顏色識(shí)別原理簡(jiǎn)介

將人的視覺(jué)感應(yīng)使用數(shù)字化的方法來(lái)描述。如果L，A，B變化的幅度一樣，那么給人帶來(lái)視覺(jué)上的變化幅度也差不多。

L表示亮度，從0～100逐漸變亮（0表示黑色，100表示白色）。A表示紅綠屬性的色相，0代表灰色，從負(fù)值到正值時(shí)，對(duì)應(yīng)顏色即從綠色變到紅色。B表示黃藍(lán)屬性的色相，0代表灰色，從負(fù)值到正值時(shí)，對(duì)應(yīng)顏色即從藍(lán)色變到黃色。

3 硬件設(shè)計(jì)— OpenMv與PCA9685舵機(jī)擴(kuò)展板的連接

只用一個(gè)PCA9685舵機(jī)擴(kuò)展板時(shí)，不需要焊接背部的焊點(diǎn)，直接插在OpenMv上即可。注意對(duì)接的引腳和插入的方向，舵機(jī)引腳方向與攝像頭相反。如果控制8個(gè)以上的舵機(jī)，可以疊插第二個(gè)舵機(jī)擴(kuò)展板，但是此時(shí)需要連接圖1右上方框內(nèi)的兩個(gè)引腳。

在連接電源時(shí)，直接將擴(kuò)展板上VCC，GND引腳接入電源的正負(fù)極，通入4.8～6 V的電壓即可。如圖1的左側(cè)和下方的兩個(gè)矩形框所示，舵機(jī)擴(kuò)展板上每列插針從上往下依次為PWM，VCC，GND，分別對(duì)應(yīng)舵機(jī)的PWM，VCC，GND，數(shù)字編號(hào)表示對(duì)應(yīng)的8個(gè)舵機(jī)依次排列[5]。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境與基本函數(shù)

OpenMv有其專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)軟件：OpenMv IDE，可直接使用Python對(duì)其編程。OpenMv IDE的編程使用的是Python語(yǔ)言。

投籃機(jī)器人的OpenMv中頻繁使用的函數(shù)如表1所示，主要用于標(biāo)記識(shí)別出的色塊區(qū)域，在色塊中心部位畫(huà)出一個(gè)十字，便于進(jìn)行后續(xù)工作。

表1 標(biāo)記色塊的函數(shù)

4.2 I2C通信協(xié)議的使用

PCA9685舵機(jī)擴(kuò)展板采用的是I2C通信協(xié)議。對(duì)于OpenMv與舵機(jī)擴(kuò)展板的通信，首先，需要有一個(gè)PCA9685的模塊，再對(duì)模塊定義一個(gè)類(lèi)；其次，需要定義一個(gè)servos類(lèi)來(lái)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行實(shí)例化，在servos.py舵機(jī)控制算法里引入PCA9685。

在main.py主程序里可以直接引用I2C協(xié)議和時(shí)鐘。關(guān)于PCA9685的I2C協(xié)議的地址可查詢(xún)?yōu)?x40，即def __init__(self, i2c, address=0x40)；若疊插使用，即背部引腳焊接，則地址address為0x60。

若一次性擴(kuò)展兩個(gè)舵機(jī)擴(kuò)展板，則在main.py函數(shù)中使用兩次servo，可標(biāo)記為servo1，servo2。相應(yīng)地，根據(jù)所需要舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)順序情況來(lái)標(biāo)記主函數(shù)中servo.position(i, 0)。

4.3 運(yùn)用IDE調(diào)節(jié)色域闕值

（1）threshold函數(shù)。選取閾值需要用到threshold函數(shù)，數(shù)組里的閾值需要自行調(diào)整。通常采用的是LAB色彩模式。（2）閾值編輯。打開(kāi)IDE中的閾值編輯器，選擇LAB色彩模式，拖動(dòng)下方的滑塊，使右方二值化圖像中出現(xiàn)明顯的球形狀，把所得的闕值復(fù)制到threshold函數(shù)里即可。（3）框出色塊。畫(huà)框需要用到的函數(shù)在上面Python語(yǔ)言已給出，再使用以下算法將所選色域畫(huà)框并在中心標(biāo)記十字：

此時(shí)就可以知道是否有識(shí)別到小的色塊，若白框沒(méi)有出現(xiàn)，說(shuō)明閾值發(fā)生錯(cuò)誤，需要重新調(diào)整。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 舵機(jī)調(diào)試實(shí)驗(yàn)

完成機(jī)器人整體改裝后，將PCA9685舵機(jī)擴(kuò)展板連接上位機(jī)，用上位機(jī)調(diào)試舵機(jī)的角度，反復(fù)調(diào)試出撿球前的直走、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)動(dòng)作；撿球動(dòng)作；撿球后的直走、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)動(dòng)作。其中直走需要調(diào)整得很精細(xì)，左移、右移、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)不必過(guò)于精細(xì)，過(guò)于精細(xì)會(huì)消耗過(guò)多轉(zhuǎn)彎時(shí)間。

5.2 視覺(jué)識(shí)別實(shí)驗(yàn)

檢查程序的完整性，看是否有錯(cuò)誤。以橙黃色籃球?yàn)槔瞄撝稻庉嬈鞯玫匠赛S色的閾值，填入程序?qū)?yīng)位置中。運(yùn)行程序，若屏幕中橙黃色區(qū)域周?chē)幸粋€(gè)矩形框，矩形框正中心有十字，則顏色識(shí)別正確。

5.3 根據(jù)色塊位置調(diào)用動(dòng)作組實(shí)驗(yàn)

當(dāng)色塊位置在屏幕上方區(qū)域內(nèi)時(shí)執(zhí)行“直走”動(dòng)作；色塊位置在屏幕下方區(qū)域時(shí)執(zhí)行“撿球”動(dòng)作；色塊位置靠近屏幕左邊緣時(shí)執(zhí)行“左移”動(dòng)作；色塊位置靠近屏幕右邊緣時(shí)執(zhí)行“右移”動(dòng)作。應(yīng)多次實(shí)驗(yàn)檢測(cè)該功能的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)

室內(nèi)或室外、有燈光或無(wú)燈光、LED燈或白熾燈等因素很容易對(duì)色塊的識(shí)別產(chǎn)生影響，需要在不同環(huán)境下對(duì)闕值做出調(diào)整。

單獨(dú)的色塊識(shí)別功能不夠穩(wěn)定，若加入測(cè)距模塊，則識(shí)別更加準(zhǔn)確。撿起球之后，需要識(shí)別籃筐或籃筐底部，單單用色塊識(shí)別功能，很難找到距離遠(yuǎn)的籃筐底，這一問(wèn)題仍然是下一步需要研究的。