基于樹莓派的搜檢機器人的設計?

曾 杰 陳超波 趙 楠 馬嘉躍 胡海濤

（西安工業大學 西安 710021）

1 引言

隨著計算機科學與網絡技術的不斷創新，為智能機器人技術的發展帶來了新的發展機遇，各種機器人在不同的領域發揮著越來越重要的作用［1］。在一些對人們人身安全有威脅性的領域廣泛應用移動機器人，對于消除危險隱患，減少人員傷亡具有重要意義［2］。國外自20世紀80年代起，就開始系統地研究小型移動機器人，用以代替人做一些監測巡檢工作。近年我國對移動機器人的研究也取得了一些進展，“排爆奇兵”就是由中國航天科工集團研究開發的新一代大型排爆機器人，可較好適應惡劣環境并排除危險物品［3］。

用傳統AMR芯片作為主控芯片，無法連續執行較多次的圖像處理步驟［4］，處理速度較慢。不能使用OpenCV圖像處理函數庫，灰度化、二值化、拉普拉斯邊緣檢測函數需要單獨寫出，增大了工作量并且處理效果不理想。

本設計采用的樹莓派作為一個微型計算機，可以安裝OpenCV圖像處理函數庫，更便于調用圖像處理函數，高速的處理器可以更加快速地得到圖像處理結果。

2 基于樹莓派及OpenCV圖像處理

樹莓派做為微型計算機相比于傳統計算機樹莓派只是缺少了顯示屏幕和鍵盤，被廣泛用于圖像，文字處理。樹莓派擁有強大的處理器可以對攝像頭采集到的圖像進行實時處理，完成采集和識別，USB端口可以方便地連接LINUX免驅攝像頭，具有獨立的40個GPIO引腳，可以在完成圖像處理的同時輸出電機、機械臂的控制信號，HDMI接口可以接入顯示器方便圖像顯示。樹莓派可以運行Python語言進行編譯，其內置了Python-GPIO函數庫，在利用GPIO引腳輸出控制信號時并不需要獨立編寫底層的IO控制驅動，可以直接使用Python-GPIO函數庫驅動GPIO［5～8］。十分便捷而且易于學習。樹莓派運算速度快，價格低。鑒于樹莓派的種種優點本設計選擇使用樹莓派作為系統主控。

本設計用樹莓派進行圖像處理還需用到的一個重要工具是OpenCV，OpenCV全稱是Open Source Copputer Vision Libra，是一種跨平臺的計算機視覺庫，基于BSD許可（開源）可在Linux，Windows，Android和Mac OS操作系統上運行。它是輕量級和高效的，由一系列C函數和少量的C++類組成，它還提供了諸如Python，Ruby和Matlab之類的語言接口，并且實現了許多用于圖像處理和計算機視覺的通用算法［9～12］。本設計正是利用其Python接口調用OpenCV圖像庫完成圖像的處理。

開啟攝像頭后采集一幀目標物體的照片，OpenCV默認讀取圖像是RGB通道，現需要轉化到HSV顏色空間，設置HSV空間中目標顏色的閾值，覆蓋掩模后只剩下目標顏色，經過腐蝕和膨脹后目標物體邊緣變得更加清晰，利用中值濾波和低通濾波過濾掉噪聲后，進行Canny邊緣檢測。經過Canny邊緣檢測后的圖片就處理的只剩物體輪廓，之后進行霍夫邊緣檢測返回目標物體的邊緣數量從而完成對目標物體的識別。流程圖如圖1所示。

以三角形，長方體和圓柱體為例，經上述步驟得出圖2的檢測結果，對于目標物體的邊緣進行直線檢測，并將邊緣數量返回。三角形的檢測結果是三條直線，長方體的檢測結果是四條直線，易與長方體混淆的圓柱體上下邊緣是曲線，所以只能檢測到兩條直線，這樣就可正確識別目標物體。

圖2 檢測結果

3 機械結構設計

本設計由機械結構部分和智能控制系統兩部分構成。機械結構部分包括可移動載體平臺和機械手臂。其中可移動載體是本設計的硬件基礎，搜檢機器人的信號采集系統，驅動系統和控制系統都要以可移動平臺為載體?？紤]到履帶式移動載體的支撐面積大，對地面的壓力較小，履帶支撐面上附有多條棱起，移動時不易產生滑動，牽引附件性能好，有較好的越障能力，可更好地適應各種惡劣的路面環境［13］，故而本設計選用履帶行走方式。實物圖如圖3所示。

圖3 履帶式移動機器人底盤

多自由度機械臂具有高速，靈活等特點，在生產和生活中的應用越來越廣泛并起著非常重要的作用［14］。本設計要求搜檢機器人可識別出目標物體并用機械手夾取放置到安全地方，故采用了4自由度的多關節機械手臂，可使夾持器到達臂長范圍內任一三維坐標點，滿足設計要求。最大臂展接近30cm，屬于小型專用機械臂，它由四個轉動舵機組成，固定于履帶式移動機器人底盤的前端，實現對目標物體的抓取。機械臂由舵機驅動板驅動，由樹莓派提供控制信號，外接鋰電池供電。結構圖如圖4所示。

圖4 機械臂機構圖

4 控制系統設計

4.1 總體方案設計

本系統采用Linux免驅USB攝像頭完成對目標物體的圖像采集，樹莓派作為系統主控處理和識別攝像頭采集到的圖像，手機通過無線WIFI熱點與樹莓派連接顯示圖像識別結果。同時由樹莓派產生驅動信號，經過驅動電路后控制機械臂和電機運動。超聲波模塊通過GPIO口與樹莓派連接，測量履帶式移動底盤與目標物體之間的距離，使得能在攝像頭最佳焦距內完成對目標物體的識別。系統結構如圖5所示。

圖5 系統結構圖

本設計基本工作原理描述如下：首先向控制器發出啟動信號，控制器啟動超聲波測距模塊測量履帶移動底盤與目標物體的距離后，驅動電機向前或向后轉動。當到達預定距離后停止移動并開啟攝像頭模塊采集一幀圖像，進行圖像處理后將結果返回至控制器。在得到正確的識別結果并且履帶式移動底盤與目標物體的距離為預定值時，驅動機械臂完成對目標物體的抓取。當未能正確識別目標物體時，調節攝像頭與目標物體的位置后重新進行識別直到產生正確結果。

4.2 方案特點

1）該方案采用樹莓派+USB攝像頭模塊。使用高清USB攝像頭完成對目標物體的采集，采集到的圖像由樹莓派進行處理與識別。因為樹莓派可以安裝OpenCV圖像處理函數庫，更便于調用圖像處理函數，高速的處理器可以更加快速地得到圖像處理結果。

2）樹莓派具有40個IO引腳，可以在完成圖像處理的同時輸出電機、機械臂的控制信號，完全可以實現設計要求。

4.3 電源模塊

在本次設計中電源模塊外圍電路由4個電容和1個二極管組成，2個電容相結合完成對輸入輸出電流的高低次諧波的濾波，二極管可以防止電源模塊短接。電源模塊原理圖如圖6所示。

圖6 電源模塊原理圖

由于系統采用外接12V鋰電池供電，而驅動板中芯片均需要5V電壓供電，所以整體需要進行電壓轉換。本設計采用常見的ASM1117-5.0電壓轉換芯片完成電壓轉換。

4.4 穩壓模塊

添加穩壓模塊是因為電源模塊的最大輸出電流為1.2A，而穩壓模塊最大輸出電流為3A，為保證整個驅動板安全使用大電流驅動機械臂，保證不會因為電流過大而燒毀芯片。添加穩壓模塊還可以隔離電路中的干擾和噪聲，使用單獨的模塊為機械臂供電保證機械臂不受其他模塊干擾，盡量較少機械臂操作過程中的不正常抖動，保持運行平穩。穩壓模塊原理圖如圖7所示。

圖7 穩壓模塊原理圖

本設計采用的是輸出可調式電路，根據式（1）可計算出外圍電阻阻值。其中VREF=1.23V，為了確保輸出穩定，R1選用標稱阻值為1KΩ，精度為1%的電阻。

4.5 電機驅動模塊

電機驅動模塊采用常見的電機驅動芯片L298N配合外圍電路實現對2個直流電機的正反轉控制。

L298N是專用驅動集成芯片，屬于H橋集成電路，具有輸出電流大負載能力強等特點，可以直接控制兩臺直流電機，并可實現電機的正轉和反轉，實現此功能只需要改變輸入邏輯電平，通過使用PWM波即可實現速度調節。L298N電機驅動模塊原理圖如圖8所示。

圖8 電機驅動模塊原理圖

因為使用L298N控制2個直流電機正反轉正常需要使用6路控制信號，需要從樹莓派的GPIO中引出6個引腳，為了保護主控的引腳安全在設計時就使用高速光耦進行隔離，為了降低硬件成本，減少高速光耦的數量，在這里使用74LS046非門反相器將IN1、IN3輸入信號進行反向處理后得到IN2、IN4控制信號。74LS04反相器原理圖如圖9所示。

圖9 74LS04反相器原理圖

4.6 軟件設計

在系統啟動前需要先使用樹莓派連接手機分享的WIFI熱點，在遠程登錄后使用手機控制啟動整體程序，還可通過手機控制機器人的動作，在完成對個模塊和GPIO引腳的初始化后，首先啟動超聲波測距模塊，測量履帶式移動底盤與前進方向上障礙物體之間的距離，如果距離大于預先設定的距離值則可前進，若小于預定值則避障，然后再次判斷底盤與障礙物體的距離，判斷是否到達設定位置，到達攝像頭采集一幀圖像，將圖像返回樹莓派進行圖像處理，得到識別結果后驅動機械臂進行抓取，并將目標物體帶到指定的位置，系統流程圖如圖10所示。

圖10 系統流程圖

5 試驗與結果分析

搜檢機器人的樣機如圖11所示，能否通過樹莓派及OpenCV進行圖像處理正確識別出目標物體（以三角體，長方體，圓柱體為目標做測試）并夾取該物體到特定地方是衡量智能移動搜檢機器人性能優劣的關鍵條件。本文以樹莓派作為圖像處理的核心，用OpenCV做為圖像處理的工具，圓柱體作為要識別且夾取的目標物體，長方體，三角體作為識別的干擾項，在機器人自主運行的情況下進行了實驗。通過實驗證明該機器人可控制自身正常移動，能準確識別出目標物體且夾取到指定地方。樹莓派可以完成對機械臂和履帶式移動底盤的驅動，各部分可協調工作。使用樹莓派做為搭載在機器人上的主控芯片，使圖像處理更加簡單方便的同時又能實現對電機、機械臂的控制，實驗證明這是一種簡單有效的方案。

圖11 搜檢機器人樣機

6 結語

鑒于一些工作危險性較大或有些區域人類難以到達設計了基于樹莓派的智能移動式搜檢機器人，本設計融合了自動化技術和圖像處理技術，以樹莓派作為核心平臺，完成圖像處理的同時也能對機器人的行動進行控制，系統結構簡單。以樹莓派為平臺，OpenCV為圖像處理工具，簡化了圖像處理過程，提高了識別率。該機器人機械結構簡單，靈活性高，機動性強，便于攜帶，易維修，成本低，可自主對危險品完成識別與抓取，并將危險品放置于便于處理的地方。也可利用手機或遙控器控制機器人的移動和機械臂的抓取，最大程度地適應真實環境，減少未知干擾對機器人的影響。如能將本設計用于實際中，將大大較少人力物力，方便在一些狹小的地方進行安檢。