機器人簡單視覺模塊的研究

葉偉康 薛宇曦 吳慧瑩 趙敏

摘? ?要：在噴藥機器人比賽中，視覺識別成為機器人完成任務不可缺少的重要功能。為了實現機器人自主識別和噴藥，文章采用了Pixycam視覺模塊，以SPI方式與Arduino控制器相連接，設計了可靠的運動系統和噴藥系統。通過Pixy自帶的CCC算法來實現對目標的識別、接近和噴藥。

關鍵詞：機器視覺;顏色追蹤;Pixycam;Arduino

根據2019年中國機器人大賽比賽規則，在機器人噴藥項目中需要對雜草進行識別。然而市面上普遍流行的視覺模塊都具有算法復雜、入門要求高等特點，不利于初學者接觸和使用。經過查閱、討論、研究后，發現Pixy作為一個集成化程度比較高的視覺模塊，非常適合剛接觸機器人視覺的創客使用。為了能更好地識別雜草，達到準確噴藥的目的，本研究將Arduino控制器和Pixycam視覺模塊相結合，使用C語言進行編程。本文著重介紹Pixycam簡單視覺系統的原理和使用方法，并結合案例分析來實現對目標位置、大小、顏色的精確識別，從而達到比賽所要求的精準噴藥效果。

1? ? 主要硬件介紹

1.1? Arduino? UNO介紹

Arduino UNO板基于ATMEGA328單片機。同時，基于AVR平臺，對AVR庫進行了二次編譯封裝，大大降低了軟件開發難度。只需根據自身系統要求下載官方Arduino IDE便可以編程。適合初學者編程、學習[1]。

1.2? Pixycam介紹

Pixy是內基梅隆機器人研究所在2014年推出的視覺模塊，可以支持連接不同的控制器，支持多種接口選項，如串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）、通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）串行、USB 、集成電路總線（Inter-Integrated Circuit，I2C）或數字/模擬（Digital-to-Analog，D/A）輸出，Pixy的CCC算法（計算來自圖像傳感器的每個RGB像素的顏色（色調）和飽和度，并將它們用作主要過濾參數）[2]能夠記住7種不同的顏色代碼，通過PixyMon軟件可以輕松捕捉需要識別物體的顏色[3]。

1.2.1? Pixy視覺模塊的原理

所謂圖形處理就是視覺傳感器將圖像信號轉換為連續電壓信號，最后轉換成數字信號進行處理的過程。如今的視覺識別系統主要有兩種搭建方案：

（1）使用Matlab或OpenCV等軟件來進行編碼，搭配一般的攝像頭來實現圖像處理。

（2）使用Pixycam或Openmv等具有圖像處理能力的相機，通過官方的用戶界面來實現簡單的視覺識別。

雖然OpenCV在很多高端領域應用廣泛，但它上手比較困難，具有非常復雜的算法。而Pixycam相比較而言更加簡單方便，同時也能達到需要的效果。因此，本文選擇Pixy作為機器人的識別模塊。

1.2.2? Pixy視覺模塊使用方法

Pixycam作為一款集成化比較高的視覺傳感器，通過官方軟件平臺PixyMon來實現對目標的選取，以識別雜草為例，打開PixyMon，只要簡單的3步：選擇Action→選擇Set signature 1→在畫面中選擇目標，就能選中需要識別的目標，如圖1所示。

識別完雜草之后，需要在Pixycam和Arduino之間建立起通信。這里采用的是SPI連接方式（Pixy同時支持UART串行、I2C、數字/模擬輸出等）。在連接之前需要把Pixycam關于Arduino的庫文件安裝到Library文件夾下。這樣就能夠在Arduino IDE上直接調用封裝好的程序進行編程。由于使用的是SPI，數據傳輸速度總體來說比I2C要快，速度可到達1 Mbits/s，能進行數據高速處理。在Arduino IDE中只需要引入#include 庫便可以輕松在串口監視器中獲得目標物體的位置、大小和顏色，如圖2所示。根據這些數據再配合上一些簡單的傳感器便能實現機器人的噴藥功能。

2? ? 硬件電路與程序設計

總體方案設計如圖3所示。

根據比賽規則，噴藥機器人需要對c區花盆中的雜草進行識別。因此，需要機器人能夠自主接近目標并進行噴藥。

2.1? 硬件電路的組成

硬件電路由Arduino UNO控制板[4]、Pixycam視覺識別模塊、超聲波模塊、降壓模塊（Arduino板推薦輸入電壓為7～12 V）、步進電機驅動模塊和SX1278無線模塊組成。

（1）Arduino UNO作為控制板負責接收和處理Pixycam傳輸過來的數據，并控制運動系統接近、噴藥系統進行噴藥。

（2）Pixycam視覺模塊和超聲波模塊協同識別和尋找目標。

（3）步進電機驅動器共陽極連接，脈沖控制車輪運動。

（4）SX1278無線模塊通過UART串行連接，把Arduino UNO串口數據傳輸給PC端，方便對數據進行分析。

2.2? 噴藥裝置構成

噴藥裝置主要由SG90舵機、小型水泵和扇形噴頭組成。舵機可以調整噴頭的方向，根據Pixy處理后通過串口傳輸輸出關于目標的x方向和y方向的坐標，調整噴頭朝向，最后，在目標范圍內進行準確噴藥。

2.3? 程序設計

如圖4所示，啟動噴藥機器人后，Pixycam開始尋找目標（雜草）并通過超聲波模塊來確定目標位置。在確定目標位置后，步進電機驅動車輪，使噴藥機器人接近目標。通過Pixycam輸出的目標坐標x，y值，控制舵機角度從而調整噴頭，使其對準雜草并噴藥。完成噴藥后繼續前進尋找下一個目標[5]。

3? ? 結語

根據比賽要求設計的噴藥機器人，以Pixycam模塊為視覺識別核心，能夠完美實現對目標（雜草）的識別。同時，Pixycam由于集成化程度高、使用簡單等特點，能夠對各種目標進行識別和追蹤。在之后的研究中，運用相同的原理可以將Pixycam使用到循跡、避障、識別二維碼等項目中，并實現更多較為復雜的功能。希望Pixycam使更多的創客能夠認識到Pixycam簡單而強大的視覺識別能力。