基于Arduino的智能小車識(shí)別及夾取棋子設(shè)計(jì)

朱偉枝 楊亞萍 梁華成

摘要：以智能小車為載體、機(jī)械手為抓取機(jī)構(gòu)，采用Arduino為核心控制器，利用OpenMV的形狀和顏色識(shí)別功能檢測棋子位置，提供了一種能夠完成識(shí)別和夾取棋子的任務(wù)的可實(shí)踐的合理化設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，程序設(shè)計(jì)簡單。

關(guān)鍵詞：智能小車;Arduino;OpenMV;機(jī)械手;識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）08-0132-03

0 引言

嵌入式系統(tǒng)與微處理器近年來的發(fā)展突飛猛進(jìn)，由此我們的日常生活中逐漸開始大量應(yīng)用無線傳輸技術(shù)與圖像處理技術(shù)[1]。智能搬運(yùn)小車的功能核心是代替人來運(yùn)輸貨物，實(shí)現(xiàn)智能搬運(yùn)涉及到了兩個(gè)核心功能，一是識(shí)別，二是夾取。本文的主要設(shè)計(jì)思路是采用Arduino[2]作為智能小車的核心控制器，利用OpenMV[3]攝像頭模塊來實(shí)現(xiàn)圖像信息采集工作，并將收集到的圖像信息輸送到控制器上，控制器根據(jù)收到的信息做出相應(yīng)的指令動(dòng)作控制智能小車和機(jī)械手，從而實(shí)現(xiàn)智能小車自動(dòng)識(shí)別物體并將其夾起的功能。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文采用綠色的矩形棋子來模擬貨物，綠色和矩形是作為OpenMV的顏色和形狀識(shí)別特征，棋子是作為實(shí)物來測試機(jī)械手的工作。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)主要由傳感器、控制器、執(zhí)行器等組成，如圖1所示。

控制器Arduino單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)收集各個(gè)I/O口輸入的信息并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作。傳感器部分包括OpenMV和超聲波測距模塊。OpenMV是一個(gè)功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，利用廣角鏡頭使得識(shí)別范圍更加廣，采用具有識(shí)別顏色和形狀特征的組合算法，將收集到的信息實(shí)時(shí)通過串口上傳至Arduino控制器上，Arduino就會(huì)根據(jù)OpenMV上傳的數(shù)據(jù)作出判斷，從而控制智能小車和機(jī)械手的運(yùn)作。超聲波測距模塊主要負(fù)責(zé)確保車頭與棋子的距離，將收集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，通過串口將處理好的數(shù)據(jù)發(fā)送至Arduino上，保證機(jī)械手能準(zhǔn)確無誤夾取棋子。執(zhí)行器部分為機(jī)械手和電機(jī)。機(jī)械手由兩個(gè)舵機(jī)組成，一個(gè)舵機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)械手臂的上下運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)則負(fù)責(zé)機(jī)械手的展開和閉合，控制兩個(gè)舵機(jī)的工作就能控制整個(gè)機(jī)械手的工作;Arduino采用PID控制算法[4]，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，可以使電機(jī)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而根據(jù)兩輪差速原理使小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退及轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 總體控制流程

如圖2所示，智能小車通電后，所有硬件都進(jìn)行初始化，識(shí)別模塊開始采集照片，需要準(zhǔn)確識(shí)別到目標(biāo)棋子的所在位置，并將處理好的目標(biāo)棋子的信息傳送給Arduino控制器，Arduino控制器接收到信號(hào)后發(fā)出指令控制智能小車的電機(jī)模塊開始工作，并向棋子的位置靠近。為了保證機(jī)械手能準(zhǔn)確地夾起棋子，就需要控制好智能小車與棋子之間的距離，當(dāng)智能小車與棋子之間的距離在設(shè)定的閾值范圍之內(nèi)時(shí)，電機(jī)模塊停止工作，Arduino控制器控制夾取模塊開始工作，通過機(jī)械手把棋子夾起來。

2.2 行駛模塊程序設(shè)計(jì)

小車的行駛模塊包含幾個(gè)子函數(shù)模塊：前進(jìn)模塊run（）函數(shù)、停止模塊stop（）函數(shù)、轉(zhuǎn)彎模塊turn（）函數(shù)和識(shí)別模塊search（）函數(shù)。當(dāng)棋子在OpenMV識(shí)別區(qū)域中心時(shí)，控制器就執(zhí)行前進(jìn)run（）函數(shù)控制智能小車前往棋子所在位置;當(dāng)智能小車與棋子之間的距離在設(shè)定閾值范圍時(shí)，控制器就執(zhí)行停止stop（）函數(shù);當(dāng)棋子在OpenMV識(shí)別區(qū)域中心兩邊時(shí)，控制器就執(zhí)行轉(zhuǎn)彎turn（）函數(shù)控制智能小車前往棋子所在位置;當(dāng)OpenMV識(shí)別不到目標(biāo)棋子時(shí)，控制器就執(zhí)行search（）函數(shù)，控制智能小車移動(dòng)到其他位置直到識(shí)別到棋子為止?？刂齐姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度采用PID算法運(yùn)行，設(shè)定智能小車正常直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的PWM閾值，當(dāng)智能小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，分別對(duì)智能小車左右兩輪電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行PID運(yùn)算，保證左右車輪實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)彎。

2.3 識(shí)別模塊程序設(shè)計(jì)

如圖3所示，識(shí)別模塊采用具有識(shí)別顏色和形狀特征的組合算法，首先調(diào)用find_rects（）函數(shù)對(duì)拍攝到的物體進(jìn)行形狀識(shí)別，若識(shí)別到的物體是矩形，再調(diào)用rect.corners（）函數(shù)，返回一個(gè)由矩形對(duì)象的四個(gè)角組成的四個(gè)元組的列表，使OpenMV只在這個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行像素統(tǒng)計(jì)，最后調(diào)用 get_statistics（）函數(shù)進(jìn)行像素統(tǒng)計(jì)，若LAB的三個(gè)通道的眾數(shù)分別在綠色的閾值范圍內(nèi)，OpenMV就判定識(shí)別到了綠色的棋子。

2.4 機(jī)械手模塊程序設(shè)計(jì)

機(jī)械手模塊的動(dòng)作由兩個(gè)舵機(jī)來完成，分別命名為s1和s2，s1為機(jī)械臂的舵機(jī)，s2為機(jī)械手的舵機(jī)。機(jī)械手模塊的程序設(shè)計(jì)包含putup（）函數(shù)、putdown（）函數(shù)、open（）函數(shù)和close（）函數(shù)。putup（）函數(shù)和putdown（）函數(shù)負(fù)責(zé)機(jī)械臂的抬起和放下，open（）函數(shù)和close（）函數(shù)負(fù)責(zé)機(jī)械手的展開和閉合。

3 功能測試

本文設(shè)計(jì)測試主要用到Arduino IDE、OpenMV IDE進(jìn)行程序編寫，主要測試智能小車的功能包括識(shí)別功能、機(jī)械手夾取功能。

3.1 識(shí)別功能

為了對(duì)智能小車進(jìn)行識(shí)別功能測試，在測試區(qū)擺放了各種形狀各種顏色的物體。OpenMV通過廣角鏡頭對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行掃描，對(duì)采集到的圖像中的物體進(jìn)行顏色和形狀識(shí)別，首先對(duì)物體進(jìn)行形狀識(shí)別，然后在識(shí)別到的棋子形狀區(qū)域內(nèi)通過像素統(tǒng)計(jì)進(jìn)行顏色識(shí)別。經(jīng)多次試驗(yàn)表明，智能小車能成功識(shí)別到綠色棋子，設(shè)計(jì)能滿足要求。

3.2 夾取功能

當(dāng)智能小車與棋子的距離在設(shè)定的閾值范圍時(shí)，智能小車會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手開始執(zhí)行工作。首先是s1舵機(jī)開始工作，順時(shí)針向下旋轉(zhuǎn)，然后s2舵機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手夾爪接著張開，延時(shí)后再順時(shí)針旋轉(zhuǎn)夾住棋子。經(jīng)多次隨機(jī)測試，機(jī)械手的運(yùn)作也符合了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的智能搬運(yùn)小車，由Arduino與OpenMV組成，能夠完成目標(biāo)棋子的識(shí)別與夾取。智能搬運(yùn)小車根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)帶萬向輪底盤與由機(jī)械臂及夾爪組成的機(jī)械手，可以科學(xué)規(guī)劃目標(biāo)物體的搬運(yùn)計(jì)劃，精確地實(shí)現(xiàn)小車在工廠的位置控制，按照設(shè)定的程序，能夠準(zhǔn)確識(shí)別物體和全自動(dòng)搬運(yùn)。其應(yīng)用可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期。

參考文獻(xiàn)

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[4] 趙永永.基于PID智能控制算法的智能車車速控制研究[J].軟件，2019（1）：195-198.