视觉导航网球捡球机器人控制系统设计

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所属分类:AGV设计资料
摘要

设计了基于视觉导航网球场捡球机器人控制系统,系统以STM32F407VET6为主控芯片,通过摄像头采集网球场景的图像,利用网球的颜色特征和轮廓特征进行网球的识别、定位和跟踪,以IR2014结合H桥作为底盘电机驱动电路,在视觉导航下引导捡球小车向目标移动,通过耙轮机构完成捡球作业。实验结果表明,该系统能够识别开放场景中的所有网球,并引导捡球小车完成网球的拾取。

为了提高网球训练的效果, 减轻训练人员的频繁捡球的负担,本文介绍一种网球自动拾取机器人开发技术,通过摄像头在网球场地进行网球的视觉识别和定位, 通过视觉引导捡球小车移动至网球处并自动拾取网球。 目前捡球类机器人开发多采用视觉进行网球识别和导航[1-2],通过提取网球的颜色、纹理等特征利用神经网络、支持向量机等进行网球的目标识别与跟踪,通过智能优化算法进行捡球小车的路径规划[3-4],网球拾取机构设计多采用虎钳式夹持机构,或者通过机械臂加抓手的形式[5-6],在小车行进控制中一般都采用 PID 控制。 本文在上述方法的基础上采用基于网球颜色特征和轮廓特征进行目标的识别, 可以识别网球场地范围内的所有网球, 基于局部区域搜索进行目标的视觉跟踪,利用耙轮进行网球的拾取,拾取效率大大提高。

1 系统总体方案设计

捡球小车采用四轮差速驱动小车底盘,搭载机器人箱体、单目视觉摄像头、网球收集耙轮、网球提升机构、控制系统等。工作过程中捡球小车通过采集网球场景视频,进行网球目标的识别和定位,采用就近取球的路径规划策略,通过相机标定和坐标变换,获取最近网球与捡球机器人的相对位置,在视觉导航下向网球位置移动,对后续帧图像进行局部区域的目标再识别来实现视觉跟踪, 到达网球位置后通过收集耙轮将网球耙入小车箱体底部, 经提升机构提升到箱体上部的网球收集箱。 视频信号采集与处理系统采用ARM Cortex-A8 内核的 S5PV210 主板, 移植 ARM-Linux 操作系统,OpenCV 图像处理与机器视觉库, 进行视频信号的采集和处理; 控制系统采用 ARM Cortex-M4 内核的 STM32F407VET6为主板,进行捡球小车的运动控制系统的设计。

2 控制系统设计

控制系统设计主要由两个部分组成, 分别是视频信号采集与处理系统和小车的运动控制系统, 两者通过串行总线进行通信。 视频信号的采集和处理系统采用成熟的 S5PV210 主板搭载摄像头作为视频采集和处理模块,并加载视觉应用程序,运动控制系统包括电机驱动模块 (包括底盘四轮差速驱动、 提升轮驱动、耙轮驱动)。 电源管理模块、人机交互模块和通信模块等,系统设计框图如图 1 所示。

视觉导航网球捡球机器人控制系统设计

图 1 控制系统方框图

2.1 主控模块设计

系统主控模块采用 ARM Cortex-M4 内核的 STM32F407-VET6 芯片,STM32F407VET6 是 ST 意法半导体公司生产的基于 Cortex-M4 内核的高性能单片机,该芯片工作电压 1.8~3.6V,168MHz 工作频率,17 个定时器、6 组 USART 通信接口、3 组 12位 ADC,内部集成了 512kB 的 ROM 与 192kB 的 SRAM。 片上资源具备了构建系统主控模块的所有需求 。 通 过 引 脚 PA9、PA10 与视频信号采集与处理系统进行 USART 通信,完成目标物体的位置信息的传递。 利用 TIM1 定时器产生 PWM,其中引脚 PE10、PE11、PE12、PE13 与 2 路底盘电机驱动板连接,控制 2路直流电机的工作。 利用 TIM2 与 TIM3 定时器进行正交解码,涉及引脚有 PA0、PA1 与 PA6、PA7 到对 2 路直流电机进行速度脉冲 的 测 量。 利 用 TIM4 定时 器 产 生 PWM, 使用对应通道引 脚PD12、PD13、PD14、PD15,对耙轮电机与提升电机进行驱动。

2.2 视觉信号采集电路

采用 S5PV210 与 OV7725 完成 视 觉 采 集 功 能 ,S5PV210采用 ARM Cortex-A8 内核,ARM V7 指令集。 对视觉信号采集与处理方面, 采用 MPEG-1/2/4、H.263、H.264 等格式进行视频 的 编 解 码。 内 建 高 性 能 PowerVR SGX540 3D 图形 引 擎 和2D 图形引擎,提升了图像处理的运算能力。 OV7725 提供单片VGA 摄像头与影像处理器所有功能。 通过 SCCB 总线控制,可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种 8 位分辨率数据,最高可达 30 帧/s,支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡等功能。 利用的 S5PV210 内自带 FIMC 驱动 OV7725 工作。 视觉信号采集模块与主控模块的接口电路图如图 2 所示, OLED显示器显示视频图像,也可以作为调参的人机接口。

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