自主式網球拾取機器人系統

蔣倩蕓　王繼承

摘 要：要實現一個智能移動網球撿取系統，機器人集群需要解決的關鍵問題主要有：采集圖像的時間間隔，處理圖像時的調試；在機器人進行移動時，需要對路徑的規劃和碰撞進行預測、檢測，在對網球進行識別時，存在諸多干擾，如運動的人、光線明暗的變化、其它類球物體，只依靠單一的形狀識別與單一的顏色識別則無法完成識別任務。

關鍵詞：圖像；機器識別；隨機算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.117

1 簡介

1.1 項目的研究意義

近年來網球運動在我國發展迅猛，場館建設的規模和數量顯著增長，參與該項運動人口數明顯增加，規模不等的賽事層出不窮[1]。網球運動作為當今的一種時尚運動，對人們的身、心健康能起到良好的促進作用，普通網球練習者在進行大量的網球練習時，撿球的工作量也較大，對于已訓練疲憊的練習者來說，撿球無疑是一件枯燥而繁重的工作。目前已有研究著眼于自動撿球技術開發，市場上成熟的產品很少，因此智能撿取網球機器人市場潛力較大。

1.2 國內外研究現狀

20世紀90年代來，微電子技術、移動互聯網技術、人工智能技術的快速發展帶動了機器人技術的高速增長，且服務機器人需求潛力巨大。

圖1為2013年密西根學院研制的智能拾球車。在整個系統中，最難的技術就是對網球的夾取。它的動力是由電池驅動的，每一次充電，基本可以使用4小時，一旦電量有所降低，驅動系統會自動驅動小車到充電站自動充電。總的來說，這套系統，將一個DC變成了非常靈活的系統。

2 擬采取的研究方法、技術路線或研究方案

2.1 研究方法

（1）采用基于“最小運動代價近距離球優先”的路徑規劃方法；

（2）利用MATLAB對機器人的運動軌跡進行仿真，為保證仿真實驗結果的客觀性，采用隨機算法產生任務；

（3）通過PC對全局攝像頭與載體攝像頭進行圖像處理，完成對目標的識別與機器人定位實現全局定位。

2.2 研究方案

2.2.1 理論研究與模型建立

通過處理體育場全局攝像頭與機器人載體攝像頭所采集的圖像來定位機器人與網球的位置，利用球與機器人的顏色和形狀特征來實現目標識別。機器人與中心控制系統之間的通信，可以通過無線網絡實現。對圖像信號實時進行處理并控制機器人移動的方法為：

（1）屏蔽非體育場區域，對內邊線外的圖像進行裁剪。

（2）對裁剪后的圖像進行分塊，以六塊為例，如表1。

（3）在第x塊圖像內，將RGB模型變換為HSV模型。RGB與HSV模型的轉換關系為：

V=max（R，G，B）；

Delta=max（R，G，B）-min（R，G，B）；

S=delta/V；

2.2.2 總體設計及硬件實現

（1）總體設計：要實現一個智能移動網球撿取系統，機器人集群需要解決的關鍵問題主要有：1）采集圖像的時間間隔，處理圖像時的調試；2）在機器人撿球過程中，機器人移動路徑的規劃和碰撞的預測、檢測；3）在完成撿球工作時，機器人需要識別網球，識別過程中存在諸多干擾，如光線變化、其它非球類物體、場地內進行運動的人，只依靠單一的顏色識別則無法完成識別任務。

（2）總體框圖，如圖2。

（3）硬件的實現：硬件系統包括電源模塊、電機驅動模塊、運動控制模塊、安全控制模塊、多功能網球撿球機等構成。

1）電機驅動模塊：PCA9685芯片與298N驅動電路以及步進電機驅動模塊構成電機驅動電路部分。

2）運動控制模塊：運動控制模塊由驅動控制器、轉向控制器以及驅動電機和轉向電機共同配合，完成機器人的行駛、轉彎、倒退、停止等動作。主控器下達相關控制指令到驅動控制器和轉向控制器，通過控制直流電機的工作狀態來完成小車的驅動、轉向、停止等動作。

3）多功能撥球鎖存撿球系統：底盤采用亞克力材料，使其看起來晶瑩剔透，鉗子也采用亞克力材料，配上兩個舵機，不僅簡潔輕盈，更強健有力，如圖3。

（4）軟件的實現：本系統采用STM32F103Rx，程序分為主程序部分和中斷服務子程序部分。初始化為系統時鐘、串口、中斷服務、通用輸入輸出端口等。主循環中主要獲取各傳感器狀態，用于中斷函數參數設置，以便控制小車的狀態。定時器中斷服務程序中，通過半段狀態參數來改變控制直流電機、舵機的PWM波參數，以對系統進行實時掌控，完成指令。

3 結束語

本文在于開發智能移動網球拾取機器人系統，并能通過程序控制使其場地上實現自主找球、自主尋找路徑、自主撿球等。主要使用圖像處理技術實現目標的定位與導航，實現上位機控制與下位機自主的合作模式，通過STM32單片機控制機器人的運動，選擇并調試算法，模擬出自主找球、自主選擇路徑、自主撿球等 ，設計包括全局攝像機，機器人載體攝像機，無線傳輸模塊，圖像處理模塊的視覺系統。在該基礎上，下一步還要研究網球拾取機器人的穩定性與多功能性。

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基金項目：自主式網球拾取機器人（CX17-027）

作者簡介：蔣倩蕓（1993-），女，四川廣安人，本科在讀，研究方向：通信。