同世雄，秦玉偉，肖康

（渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南 714099）

乒乓球運動是世界流行的球類運動項目，乒乓球訓練過程中會出現(xiàn)球滾落在場地上的情況，散落的球需要及時清理，否則會影響運動水平的發(fā)揮。乒乓球拾取繁瑣且勞累，存在發(fā)球容易，撿球難的問題。目前乒乓球撿拾器主要靠人力來完成，人工撿拾費時費力?，F(xiàn)有的智能拾取設備多采用機械手抓取[1-2]，拾取效率低下。針對乒乓球拾取困難的問題，文中提出了一種基于視覺識別的乒乓球拾取機，通過視覺傳感器識別乒乓球，運動機構控制乒乓球收集機運動至目標點，柵格擠壓會將球擠進柵格收集倉中，再抬升收集倉使之滑落到后方的存儲倉中，完成乒乓球的拾取。

1 拾取機的機械結構設計

乒乓球拾取機機械結構可分為矩形柵格收集倉、乒乓球存儲倉和行進裝置3 部分。

乒乓球的收集倉是乒乓球拾取機的關鍵，該設計采用了矩形柵格按壓式撿球方式，利用彈性繩能發(fā)生彈性形變的特性，將矩形彈性網(wǎng)格間距設置為32 mm（小于乒乓球直徑40 mm），安裝在機構底部。在收集倉向下按壓時，彈性繩受到乒乓球的壓力發(fā)生形變，乒乓球將會被擠進收集倉內，彈性繩恢復后，乒乓球的重力不會使彈性繩發(fā)生較大的形變而掉出，從而完成收集。存儲倉為矩形結構，由亞克力板制成，與前面的收集倉相連。乒乓球進入收集倉后，舵機轉動抬升收集倉，使乒乓球滑落至存儲倉內，存儲倉可最多容納50 個乒乓球。拾取機選擇4個編碼減速電機帶動輪子旋轉運動，電機轉速為131轉/分，扭矩為0.69 kg/cm，可以使拾取機快速工作，能輕松上坡以及翻越較小的障礙物。

2 乒乓球拾取機硬件部分

圖1 控制系統(tǒng)示意圖

2.1 STM32F407核心板

STM32F407 是ST(意法半導體)開發(fā)的一種32 位高性能ARM Cortex-M4 處理器，主頻高達168 MHz，支持FPU（浮點運算）和DSP 指令，1 024 kB FLASH、192 kB RAM，內部資源非常豐富。核心板上載有外擴SRAM、FLASH、EEPROM-AT24C02，能滿足大容量開發(fā)的需求。乒乓球拾取機的運動控制包括收集倉的抬升與拾取機的行進轉向等，屏幕顯示控制和其他外設控制等都由此控制器處理。

2.2 視覺傳感器OpenMV

OpenMV 是一個開源、低成本、功能強大且體積小巧的機器視覺模塊，以STM32F767 為核心處理器，集成了OV7725 攝像頭，在非常小的硬件單元上，用Python 語言高效地實現(xiàn)了核心機器視覺算法的高效開發(fā)。OpenMV 上的機器視覺算法包括顏色追蹤、人臉檢測、眼球跟蹤、邊緣檢測、標記跟蹤等，采用易于上手的Python 編寫，降低了用戶的開發(fā)難度，可輕松地完成各種機器視覺相關的任務。

STM32F7 系列處理器片內資源有UART、SPI、PWM、ADC 以及GPIO 等接口，方便擴展外圍功能。乒乓球拾取機采用OpenMV 充當拾取機的“眼睛”，識別到位置信息[5]后利用串口與STM32F407 和STM 32F767 進行串口通信，完成數(shù)據(jù)交互[6]。

2.3 姿態(tài)傳感器MPU6050

姿態(tài)傳感器MPU6050 是乒乓球拾取機辨別自身方向與傾角的傳感器，集成了3 軸MEMS 陀螺儀和一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP，用來測量角度和加速度，可以最大限度降低功耗、簡化軟件結構、提高處理速度、節(jié)省主機資源。該陀螺儀功能強大，精度較高，不僅被廣泛應用于工業(yè)，同時在四軸飛行器上被大量應用。其應用原理圖如圖2 所示。

圖2 MPU6050應用原理圖

模塊采用IIC 通信協(xié)議，默認總線地址為0X68（AD0 引腳為高電平時地址為0X69），單片機在總線上發(fā)送0X80 對模塊進行初始化。在對陀螺儀傳感器、加速度傳感器、采樣率進行設置后，讀取器件ID為0X68 則表示連接成功，接下來就可以對模塊緩存的原始數(shù)據(jù)進行讀取、濾波和姿態(tài)融合，得到乒乓球拾取機的方向和機身的姿態(tài)。

2.4 光電傳感器避障模塊

乒乓球拾取機采用6 個光電開關來實現(xiàn)物體避障功能，如圖3 所示。光電開關內部的發(fā)射器對前方空間不間斷發(fā)射紅外線光束，接收器把檢測物反射回來的光束轉換為電流傳輸給后面的接收電路，經(jīng)放大電路處理后輸出。通過轉動后方電位器旋鈕調整發(fā)射接收的距離，當前方出現(xiàn)物體時，光電開關輸出低電平，MCU 通過檢測電平狀態(tài)確定前方是否有物體出現(xiàn)，再經(jīng)過判斷，執(zhí)行相應的動作，完成避障和掉頭等動作[7]。

圖3 光電開關模塊原理圖

2.5 TFT液晶屏幕顯示

乒乓球拾取機搭載了一塊2.8 寸的屏幕，用來實時顯示拾取小球的數(shù)量、小球的位置、小車的運行狀態(tài)和電量信息等，如圖4 所示。屏幕的右上角是電池電量顯示，上方最大的顯示區(qū)域顯示目前已收集的乒乓球數(shù)目，中間區(qū)域顯示距離最近的乒乓球的位置坐標，下方的State 區(qū)域顯示運動狀態(tài)，Collect區(qū)域顯示收集倉的狀態(tài)，MPU6050 區(qū)域顯示陀螺儀傳感器的數(shù)據(jù)。在乒乓球拾取機運行過程中可以實時看到拾取乒乓球的數(shù)量、拾取目標位置、運行狀態(tài)等。

圖4 液晶屏幕顯示分布

3 系統(tǒng)軟件設計

乒乓球拾取機首選對系統(tǒng)進行初始化，數(shù)據(jù)傳輸正常后，拾取機依靠姿態(tài)傳感器和紅外光電開關沿著預定方向前進，根據(jù)前方紅外光電開關的電平高低判斷有無障礙物或邊界出現(xiàn)。前方有邊界出現(xiàn)則會掉頭，運行至終點時，乒乓球根據(jù)運行方向和實際邊界情況返航尋找待定點，判斷是否到達終點。乒乓球拾取機工作流程圖如圖5 所示。

圖5 乒乓球拾取機的工作流程圖

3.1 視覺處理實現(xiàn)

乒乓球運動場的地面平整和場地相對空曠的特點為視覺處理帶來了相對簡單的環(huán)境。乒乓球拾取機的視覺處理傳感器OpenMV中，根據(jù)乒乓球顏色閾值和圓形特征，找出乒乓球的坐標位置，通過串口將乒乓球坐標發(fā)送給STM32F407。

醫(yī)源性損傷是大部分腦脊液漏產生的主要原因［5］。術前：沒有將術中腦脊液漏出現(xiàn)的風險仔細評估、對手術困難程度沒有正確估計等從而沒有充分的術前準備。

在尋找乒乓球的過程中，OpenMV 視野中總是出現(xiàn)多個乒乓球，由于乒乓球的位置不同，乒乓球拾取機總是從距離自身最近的球開始撿起，并根據(jù)乒乓球像素點的數(shù)量判斷乒乓球與自身的距離。在程序運行時首先進行初始化，設置圖像格式、圖像大小及鏡頭反轉等，對乒乓球顏色閾值進行選取，對鏡頭畸變進行校正。再尋找圖像的目標閾值代表的顏色，并在目標顏色所在區(qū)域中選取最大的一個區(qū)域。對此目標顏色所在區(qū)域作霍夫變換，尋找圓形，以增強識別的準確性。將指定區(qū)域內球的數(shù)量和目標位置信息通過串口發(fā)送至STM32F407[8]。

3.2 運動處理實現(xiàn)

乒乓球拾取機要將地面上的乒乓球都拾取完，就必須經(jīng)過工作區(qū)域的所有地方，乒乓球拾取機可以利用編碼電機進行運動距離的計算，采用MPU6050進行小車姿態(tài)和方向的判斷，完成對小車位置的定位，以便完成拾取任務。

在一個矩形工作區(qū)域內，以乒乓球拾取機的起始位置為原點建立直角坐標系，每次傳感器采集的數(shù)據(jù)為運動距離d與角度α，則運動位置可表示為：

其中，n為傳感器采集的次數(shù)，通過運算得到了乒乓球拾取機的位置坐標(x,y)，得到相對坐標信息后就可以對行進路徑進行控制[9-13]。

當進行避障或者視覺傳感器發(fā)現(xiàn)視野中出現(xiàn)乒乓球時，拾取機會臨時改變運行路徑去避障或收集乓乓球，執(zhí)行動作結束時，拾取機能根據(jù)偏移前的點坐標、偏移時運行的距離、偏移的角度得到一個偏移坐標：

乒乓球拾取機由此偏移坐標Err(x,y)重新復位到預定規(guī)劃的路徑上去[13-15]，繼續(xù)進行拾球任務。

拾取乒乓球的過程中，由于傳感器視角位置原因，車身前方的收集倉會在成像后變成梯形區(qū)域，通過實際測試確定梯形區(qū)域4 點的坐標。用直線將左右區(qū)域分開，用y軸坐標將前方區(qū)域與收集區(qū)域分開[16]，圖像區(qū)域就分成了前、后、左、右4 個區(qū)域。通過識別乒乓球所在的區(qū)域調整小車的位置，從而完成收集動作[17-18]。

在實際測試中搭載有廣角攝像頭的OpenMV 的有效識別距離為2 m 左右，當乒乓球拾取機向前行進時，就會掃過一個矩形區(qū)域。當拾取機到達邊界時，就會掉頭進行下一次尋找。如此反復，即可完成對區(qū)域內乒乓球的撿拾。撿拾路徑模擬圖如圖6 所示。

圖6 乒乓球拾取機拾取路徑示意圖

圖6 中模擬乒乓球拾取機在實際場景中運行的情況。乒乓球拾取機從原點出發(fā)，箭頭方向代表拾取機的運動方向，在其運行到邊緣地區(qū)時，拾取機將會轉向去完成下一次尋找，碰到障礙物會進行避障。到達終點后，乒乓球拾取機會沿著場景邊緣尋找待定點，運行結束后停止拾取并在原點等待。

4 乒乓球實際運行分析

拾取機采用柵格擠壓式撿拾與后方的收集倉結合的方式，能在提高撿拾效率的同時保證機械結構的穩(wěn)定性。

在系統(tǒng)實際運行測試中，設置不同的撿拾時間，改變撿拾球之間的距離，進行多次測試，測試數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 乒乓球撿拾效率統(tǒng)計

根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)能夠代替人工和目前效率低下的乒乓球拾取機器人，在乒乓球撿拾領域有著較為廣闊的應用前景。

5 結論

該文針對人工撿拾乒乓球的低效率與高重復性，創(chuàng)新地提出一種柵格擠壓式乒乓球拾取機。采用柵格擠壓式撿拾能提高撿拾效率的同時結構穩(wěn)定耐用。在正常室內環(huán)境中，能夠自主完成避障及拾取乒乓球的任務，并顯示收集的乒乓球的數(shù)目，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工撿拾器，節(jié)省人力的同時又能夠顯著提高撿拾效率。