智能網球收球機器人系統

吳偉鍵　曾毅杰　馮貴斌*

【摘 要】文章介紹了一種基于機器視覺的智能撿球機器人，包含機械結構、視覺模塊、無線模塊、避障系統、葉輪系統等硬件設備。實現了可以完全自主收集大范圍區域內的比賽型網球，且具有自動和手動兩種控制模式，用戶可以連接手機APP實現對車體的完全控制。具有收集速度快，成功率高，連續工作時間長，故障率低等特點。通過實物樣品的性能測試表明，該撿球機器人能達到預期撿球效果，具有推廣意義。

【關鍵詞】撿球機器人;顏色識別;機器視覺

中圖分類號： TP391.41;G845 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0090-002

0 引言

據谷歌網站近三年來全球熱搜榜的數據顯示，羅杰·費德勒和拉法·納達爾的強勢回歸推動了網球搜索量的增加，網球運動的重要地位已逐漸向足球和籃球的球類主導體育地位靠攏。而且，智能車、機械臂、計算機視覺等機器人領域隨著3D打印機的普及使用取得了極大的發展。此項目的理念，正是基于這兩者的共同發展而衍生出來的。我們結合技術與設計，打造一款省時省力，智能化，效率化的場地服務型機器人，體現了新時代高效運動的創新和要求。是一款為用戶貼心打造的具有商業價值的智能產品。

1 系統硬件設計

1.1 總體方案

圖1為本項目初始設計圖。該機器人由前后兩部分組成，主體為識別系統和收球系統，后部分為集球箱，一次大約能收集50～60個網球。最前端是擴大收球面積的仿生設計鍬角擋板，頂部是圖像采集部分OPENMV攝像頭連接ESP32主控板傳輸識別到的球的圓心坐標和中心差值，單片機用PID函數定義速度與差值處理后輸出兩個PWM波形連接L298N驅動板的兩個使能端，給左右驅動輪使能。靜止的網球在車向前行的情況下首先觸碰高速旋轉的葉輪，葉輪通過同步帶呈環形內外連接同步輪達到內旋效果，產生足夠的力和向后的慣性使球上升約20厘米的高度落入后筐。此過程中，觸碰斜板上安裝的行程開關，使單片機上計數器加一，然后繼續尋找下一個目標。假如視野中沒有目標，則規定在車一定區域內旋轉。遇到障礙時，車前設置的雙邊超聲波模塊計算左右距離的不同進行相應的避障行為。另外，手動操作時用連接單片機的藍牙模塊和Android平臺連接，通過自主設計的APP操作關閉自動尋球和對兩輪的控制。

1.2 工作步驟

1.2.1 車輪驅動

在這個部分選用了集成方案—科沃斯掃地機器人系列的散裝驅動輪，它具有安裝快速、兼容性高、操控簡易等優點，驅動輪使用的是12V帶碼盤減速電機與50mm直徑防滑膠輪組合，內置光電對管和柵格測速碼盤，？電機轉一圈，碼盤輸出20個脈沖，用單片機處理后可以精確控制小車的行駛距離和轉彎角度。

1.2.2 車輪調速

車體前進轉彎行駛的一大重要部分就是調節雙邊車輪的速度。L298N是一款業界常用的雙H橋電機驅動芯片，其中每個橋可以提供2安的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48V，邏輯部分5V供電，接受5V的TTL電平，L298N的使能端連接控制板的PWM輸出口，調節兩邊PWM數值就可以實現直行、后退、差速轉彎等功能，手動模式下PWM數值默認為100。

1.2.3 葉輪回收

這個部分由電機、左葉輪，右葉輪，軸承，同步帶，同步輪，絲桿組成。左右葉輪呈相反方向旋轉，輪轂在裝備柔性材料用于與球的壓力接觸。葉輪回收的初始設計是用736直流電機牽拉兩個葉輪正負時針旋轉，配以16khz的大功率場效應管10A調速模塊的配合使用為方案。電機空載旋轉的工作電流為500～1000mA，帶負載后電流會急劇增大，速度降低，長時間連續工作可能會導致過熱燒穿，場效應管是正溫度系數，隨溫度升高電流會有一定的下降，且內部還會寄生出一個二極管，所以常用在感性負載中。而后備方案選用了12V600轉的直流減速電機，可連續24小時帶負載左右，有效解決了電流大易發熱的難題。

1.2.4 超聲波避障

超聲波避障， 是移動機器人中， 原理比較簡單， 容易實現的一個功能。本次使用HC-SR04收發一體的緊湊型超聲，廣角更好，但聚焦能力偏弱。有效檢測距離大約為2米，此模塊應安裝在車體頂端，由四個模塊組成的避障系統。在完成超聲的驅動程序的編寫之后，設定超聲收發的頻率，每次收到之后，如果有一個通道為“陽性”，則啟動避障邏輯。

2 系統軟件設計

2.1 顏色識別

硬件使用OPENMV3 CamM7，使用RGB565圖像格式時，可達到20幀以上速率，使用MicroPython語言編寫程序，其中使用img模塊中find_blob函數進行顏色閾值查找，設定好正常光線下綠色網球的顏色閾值，取景框內有此閾值內的目標則標注白色矩形框，并在后臺打印出矩形框中點與畫面中點的差值供給PID函數。

2.2 優先尋撿

為防止程序進入死循環，加入了取最大目標值的函數。當視野內有兩個以上的目標時，同時計算所有目標矩形框的面積，面積最大的一個即最為接近的一個目標。

2.3 藍牙控制

小車控制模塊使用了樂鑫公司的ESP32-WROOM模組，這是一款藍牙&WIFI一體的芯片。ESP32 可作為獨立系統運行應用程序或是主機 MCU 的從設備，通過 SPI / SDIO 或 I2C / UART 接口提供 Wi-Fi 和藍牙功能。使用CP2102芯片進行TTL串口燒寫固件。其中常用固件有Arduino，MicroPython，LUA，由于MicroPython中藍牙庫未更新，所以本次使用了Arduino作為平臺，使用前需要先設置UUID，然后通過UART接收的字符判斷前進的方向。

3 調試安裝

在設計、組裝和運行過程中，有著硬件與軟件上的計算偏差。硬件偏差表現為：PLA打印件設計過程中通常需要0.2mm作為組裝增量，且容易導致熱變形;而驅動輪直徑如果小于從動輪，則有可能發生三角穩定關系導致其中一個驅動失效，所以最好使用履帶驅動輪。軟件偏差上，PID參數需要經過多次調整才能正常使用，一般情況下可以不使用微分參數，P數值調大可以增加機體對目標的反應程度，過大可能會導致劇烈抖動;由于攝像頭使用的是廣角鏡頭，在尋找目標時會受到球上方景象的多個物體干擾，為減少干擾，調試過程將取景畫面垂直方向的三分之一裁剪，取得了良好效果。

4 小結

在上述理論的指導下，本項目最終形成實物，如圖2所示。作品體現了對現有技術的改進，使用了較為新型的軟硬件方案，系統運行高效穩定，具有可持續發展性。智能機器人是一個充滿機遇和挑戰的領域，未來我們將不斷創新，精益求精，力求為科技進步和發展作出貢獻。

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