淺析網球收集的智能機器人系統設計

王爽　袁浩　王治媛　馬鵬　張婧怡　王秀萍

摘要：本文從結構、視覺、無線、避障以及葉輪等方面，設計了一種網球收集機器人，通過自動與手動兩種控制模式對大范圍的網球進行自主收集，并且可以通過APP對機器人進行遠程操控。該網球收集機器人不僅可以做到成功收集，還具有較快的收集速度，且出現故障的幾率較低，在樣品測試中取得了良好的應用效果。

關鍵詞：網球收集;智能機器人;機器視覺;目標跟蹤

隨著社會經濟的蓬勃發展，我國的科學技術也逐漸成長壯大起來，智能機器人作為一種全新的自助機器人應運而生，并在軍用、娛樂以及水下作業等領域中發揮著越來越重要的作用。網球收集智能機器人是通過嵌入式系統開發，將機器視覺與精準定位技術融為一體，實現對機器人的智能控制、路徑規劃以及目標識別的一種智能化系統。提取網球的顏色與輪廓特征作為目標識別的基礎，同時利用算法實現網球的目標定位，將網球收集工作更加智能化，效率得到了大大提升。

一、硬件設計

1、整體方案

機器人的組成分為兩部分，前端主要是機器人的目標識別系統與收集系統，后端設計為一個長方體收集箱，用來容納收集的網球。最前端由鍬角擋板組成，主要目的是增加網球收秋面積。頂部搭載攝像頭，用來進行圖像采集，并將攝像頭與主控板進行連接，以便于傳輸采集到的網球圓心坐標與中心差值等信息數據。機器人的電機驅動采用ARMcontex-M3內核的STM32F103主板，通過差值處理為機器人底盤的四輪進行供能。在機器人工作時，高速旋轉的葉輪接觸到目標網球，使網球由于葉輪的內旋效果向后產生慣性，上升后落入后方收集箱。在遇到障礙的時候，車前的雙邊超聲波會對左右距離進行計算從而完成避障工作。智能操作主要依靠藍牙裝置與手機進行連接，通過APP實現對機器人的四輪控制。

2、機器人工作步驟

首先是車輪驅動，在驅動輪的選擇上，采用集成方案，使用了科沃斯掃地機器人的驅動輪，不僅安裝速度較快，同時也具備較高的兼容性。車輪調速方面，雙邊輪速度差值決定了車體的前進與轉彎，將電機驅動芯片與控制板的PWM輸出口相連接，通過調節兩邊的PWM數值對車體進行直行與轉彎等功能。葉輪收集工作主要由電機、左右葉輪、同步帶以及軸承組成。采用直流減速電機對左右葉輪進行牽拉，使其進行相反方向的旋轉，完成對網球的收集工作。避障功能是智能機器人的設計中最常見的技術。將超聲儀器安裝在車體頂部，采用超聲波對障礙物左右兩側的距離進行測量，從而完成車體的避障工作。

二、系統軟件設計

1、圖像采集與處理

利用int open函數打開攝像頭，將分辨率等參數初始化，獲取圖像并進行存儲。

不同的自然環境會對獲取到的圖像存在一定影響，圖像往往會存在大量的噪聲，可以利用高斯濾波的方法將單幀圖像進行平滑濾波，高斯濾波在色彩識別上，能夠大大提升工作效率。同時，利用find-blob函數查找顏色閾值，將正常光線下的綠色網球顏色閾值進行設置。

2、前景目標提取

HSV顏色模型中的H分量，也就是色調，更加貼近網球的真實色彩，能夠更好的將網球顏色與場地背景顏色進行區分，但對于場地的白色標線與網球顏色做不到精準區分，而RGB中的B分量能夠對場地白色標線與網球顏色進行區分。因此，可以將HSV中的H分量與RGB中的B分量進行結合，完成閾值的分割工作，可以取得良好的應用效果。

3、網球輪廓識別

雖然在前景目標的識別中，通過顏色區分可以對網球進行目標識別，但由于光照變化等自然因素的影響，前景目標的提取中常常會受到邊界線、場地中各種物品等因素的影響，因此進行網球的特征識別十分必要。特征提取是一種根據目標特征對目標物的提取圖像進行分類并識別的技術，通過函數算法對網球的圓形輪廓特征進行邊緣檢測，實現網球的精準識別。

4、網球定位

可以通過形態學運算中的連通分量提取，對各區域的網球進行標記，計算出各個網球的像素坐標，再對每個區域的質心位置進行計算，就得到了區域的質心定位。

5、優先收集

在機器人的收集過程中，要設置添加取最大目標值的函數，防止機器人程序進入死循環狀態。當機器人的視野范圍內出現多個網球目標時，計算所有目標的矩形框面積，利用取最大目標值函數，選取面積最大的目標，即為距離最近的目標。

6、目標追蹤

在機器人移動式，針對當前識別到的球體進行后續的搜索定位工作即為目標追蹤，隨著機器人不斷接近網球，機器人會自動識別距離最近的網球目標，在移動中基于網球的顏色與輪廓對網球目標進行二次識別定位，計算最近網球的坐標，從而控制機器人完成網球收集工作。

三、調試與安裝

設計階段、組裝階段與運行階段會出現一些數值上的偏差，硬件主要表現為驅動輪的三角穩定關系，導致驅動失效的問題，原因為驅動輪直徑小于從動輪，在調試后選擇了履帶驅動輪。軟件偏差主要表現為廣角攝像頭在取景過程中常常會受到上方物體的干擾，調試后將取景范圍垂直方向的三分之一進行了裁剪，減少了干擾。同時，PID函數作為機器人驅動輪的速度定義與差值處理功能函數，需要進行多次調整才能確保機器人正常行駛，將P數值調大可以增加機器人對目標網球的反應速度，但P數值過大也會導致機體產生劇烈抖動，因此在調試階段需要反復調整P數值，加快機器人反應速度的同時保證機體無抖動情況的發生、

四、總結

本文通過將網球的顏色特征與輪廓特征進行識別并定位，實現了在一定范圍內機器人對網球的定位跟蹤與精準收集，在后續的調試過程中也進行了不斷的完善優化，使得系統運行更加高效穩定。智能機器人作為全新的科技領域，需要我們不斷探索未知，將智能系統越來越多的運用到日常生活中，實現科技與生活的共同進步，同時也能夠促進我國的經濟發展，為祖國的科技水平貢獻力量。

參考文獻：

[1]唐瑩. 智能網球拾取機器人的市場分析——以創睿智能網球機器人有限公司為例[J]. 職業，2012（17）：148-149.

[2]陳龍. 網球收集機器人的目標識別定位和運動控制研究[D]. 湖北：湖北工業大學，2021.

[3]鄭植，席先鵬，王楠，等. 機器視覺在網球撿球機器人中的應用研究[J]. 科技創新與應用，2019（16）：34-35.

[4]王天雷，王柱，周昌，等. 基于OTSU算法的BP神經網絡網球識別方法[J]. 機電工程技術，2018，47（2）：15-19.

作者簡介：王爽，女，漢 湖北老河口，2000.09，本科，研究方向 電子信息工程。