基于ROS 的乒乓球智能拾撿機器人★

張詩森，韓 劍，李金鵬，劉 玲，李宏輝

（桂林電子科技大學信息科技學院，廣西 桂林 541004）

引言

隨著對機器人智能本質的深入理解，機器人技術開始滲透到人類活動的各個領域。服務機器人在國內外的研究中有著廣泛的應用，特別是在維護、修理、運輸、清潔、結構安全等領域，本文研制的乒乓球拾撿機器人是自主設計的移動式乒乓球服務機器人。

在乒乓球室內，在訓練或比賽期間，會有許多乒乓球出界或無效。如果采用人工撿球，工作量大且效率低下。收集乒乓球的機器人可用于乒乓球場，它能迅速找到球的位置并進行拾撿，這樣可以擺脫一些繁瑣的工作，大大減輕工作強度，提高人們的生活質量。目前，國內大多數乒乓球培訓中心仍然是人工撿球的，市場上的一些自動乒乓球拾球機器人由于結構復雜、成本較高，未能被廣泛使用。

1 整體方案設計

乒乓球拾撿機器人以樹莓派裝載Linux 系統，并搭建ROS 機器人操作平臺作為機器人的主要控制機構，同時樹莓派還搭載有激光雷達、攝像頭等傳感器以及吸球裝置。以STM32 作為機器人的移動控制機構，搭載有陀螺儀等，可以實現PID 動態調節。乒乓球拾撿機器人系統功能設計如圖1 所示。

圖1 乒乓球拾撿機器人系統功能設計框圖

2 實現原理

2.1 乒乓球識別原理

在圖像處理方面，采用OpenCV 進行圖像處理。OpenCV 的優勢在于它擁有400 多個免費的圖像處理功能，涵蓋了廣泛的圖像處理應用，從圖像處理到模式識別，從靜止圖像到運動視頻，從二維平面到三維攝像機校準和三維重建。

乒乓球識別首先要通過安裝在機器人載體身上的攝像頭進行乒乓球圖像數據采集，利用OpenCV圖像處理對采集到的數據進行灰度化、RGB 分離、模糊、銳化和膨脹等預處理，再利用函數進行顏色識別，霍夫圓檢測對預處理得到的數據進行二次處理，并且輸出結果，同時打印出在二維平面內檢測到的乒乓球的質心位置坐標和半徑等數據[1-3]。乒乓球識別效果圖如圖2 所示。

圖2 乒乓球識別效果圖

2.2 執行控制

系統的執行機構主要分為兩個單元：

1）單元一為支撐整個系統的移動機構。移動單元負責整個機器人的移動控制，通過ROS 機器人操作系統對里程計（機器人移動角速度、線速度）數據進行話題發布，STM32 通過UART 訂閱ROS 機器人操作系統發布的話題，對訂閱到的數據進行解碼，最后進行PID 算法調節。

2）單元二為乒乓球拾撿球的執行器件。采用類似吸塵器的吸附裝置，吸附裝置有兩個小功率排氣扇。利用SolidWorks 軟件設計結構和外殼，通過3D打印機打印實物樣品，再組裝成一個獨立的器件，使之達到一個密閉的效果，以便于吸球[4-5]。

2.3 室內二維建圖與導航

2.3.1 二維建圖原理

SLAM（simultaneous localization and mapping），也稱為CML（Concurrent Mapping and Localization），即時定位與地圖構建，或并發建圖與定位。占用柵格地圖的構建主要采用粒子濾波的方法，粒子濾波是一種應用廣泛的濾波器，可以代替高斯濾波器，它是一個非參數濾波器。粒子濾波的步驟分為初始化階段、傳遞階段、校正階段、重采樣階段、濾波階段和最終地圖生成階段。SLAM 平面二維地圖模型如圖3所示。

圖3 SLAM 平面二維地圖模型

2.3.2 導航基本原理

Navigation 棧是一個2D 導航的集合數據包，可以獲取里程信息、傳感器數據和目標位置，并向移動平臺發送安全的速度命令。定位過程中，機器人必須在導航過程中隨時確定其當前位置，Navigation 棧中使用amcl 包來定位。路徑導航部分使用move_base包，move_base 可以接收機器人周圍的信息（如激光定位器掃描結果）并創建全局和局部同等模型，機器人可以無障礙安全地到達預定位置。move_base 的路徑規劃主要分為全局規劃和局部規劃，分別采用的是A*算法和DWA（dynamic windowapproach）算法。

3 結語

隨著現代經濟和社會的快速發展，對機器人的研究不斷完善和成熟，機器人技術的研究已成為現代自動化時代的焦點和熱點。本項目中乒乓球檢測技術和乒乓球吸球設計可作為未來機器人發展的參考。在這個項目的基礎上，開發人員可以開發更多面向服務的自動化機器人，用于協作控制和解決復雜任務。