一种智能捡球机器人及其控制方法与流程

本发明涉及一种智能机器人，具体涉及一种智能捡球机器人及其控制方法。

背景技术：

球类运动是一种优雅时尚的运动，当下国内也有越来越多的人们开始接触球类运动。然而，球类运动一大让人烦恼的问题便是捡球，捡球会耗费人们大量的时间以及体力，因此，设计这种智能捡球机器人具有非常重要的意义。

目前用来辅助人们捡球的大多数是一些需要人来操作的器械，在球场地较大、球散落范围较大时会有很大的不便。另外也有一些电动捡球机，虽然不需要人动，但还是需要人来控制，没有智能性。也有人做了添加了智能控制的捡球机，让机器人自动去捡球，但往往其移动速度很慢，一次只能减一个球，难以运用于实际中。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供一种智能捡球机器人及其控制方法，该捡球机器人能通过摄像头识别球，并自主完成捡球与储球，在完成捡球后，能移动到实现指定好的位置待命。本机器人一次可以存储数十个球，且具有超声波避障功能，防止撞到墙壁或人。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种智能捡球机器人，包括底板，所述底板为凹字形，所述底板前端左右两侧对称安装有万向轮，底板后端左右两侧对称安装有直流减速电机，直流减速电机的输出轴上安装有驱动轮；所述底板的前端横架有横梁，所述横梁上沿横梁长度方向均匀铰接若干止出装置；

所述底板的下表面左右两侧均固定有一个第一储球挡板，两个第一储球挡板之间固定有第二储球挡板；所述两个第一储球挡板、第二储球挡板以及捡球挡板围成储球室；

所述底板的上表面支撑有摄像头识别模块，底板的前端安装有超声波测距模块，底板上安装有单片机控制模块和电机驱动模块，所述直流减速电机与电机驱动模块相连，所述直流减速电机、摄像头识别模块、电机驱动模块以及超声波测距模块均与单片机控制模块相连。

进一步的，所述止出装置主要由若干捡球挡板的一端同轴铰接而成，每个捡球挡板上均旋接有螺栓。

进一步的，所述单片机控制模块为一块Arduino单片机，接收摄像头识别模块与超声波测距模块传过来的信息，然后给电机驱动模块发送控制信号控制机器人收集球。

进一步的，所述摄像头识别模块包括摄像头以及与摄像头相连的树莓派；所述树莓派用于对摄像头拍摄的连续场地图片进行图像识别处理，并将识别得到的信息传输给单片机控制模块。

本发明的另一目的是提供一种智能捡球机器人的控制方法，具体方法如下：

(1)摄像头先拍摄场地图像，将数据送入树莓派。

(2)树莓派对照片做预处理，将图片从RGB模式转换成HSV模式。

(3)根据球的颜色，对图像进行二值化处理之后，得到黑白图像，此时图像中白色的区域为球颜色区域。

(4)再对二值化后的图像进行形态学处理，去除二值化图像中的干扰；

(5)考虑到球类的圆形特征，使用Hough变换来检测图像中的圆形区域，识别出球的位置。

(6)树莓派将根据球所在的位置，输出不同的信号传递给Arduino单片机，单片机根据输入的信号发送控制信号到电机驱动模块，由其控制左右两个直流减速电机的转动情况来使机器人左右偏转去收集球。到达球的位置时无需减速，球通过捡球挡板会自动进入储球室，并被保存其中，然后机器人继续进行识别与捡球的工作。

(7)在前方有人或墙等较高的障碍物时，超声波测距模块会检测到并将信息传达给单片机，在由单片机发出控制信号经电机驱动模块控制直流减速电机停止并转向。

(8)当机器人没有检测到前方有球时，机器人会自动停止运动并原地转圈，寻找周围是否仍有散落的球，若找到了球，则继续向那个方向运动进行捡球，否则运动到球场外待命。

本发明的有益效果有：机器人智能化，不需要人为控制，方便用户使用。除摄像头识别模块外结构比较简单，容易维护，且功耗不是很大。捡球装置不需要驱动，机器人可以运动得较快，捡球效率得到提高。

附图说明

图1是本发明的立体轴测图；

图2是本发明的左视图；

图3是本发明的仰视图；

图4是本发明的捡球挡板与储球挡板细节图；

图6是本发明的电路系统结构图；

图5是本发明的工作流程图；

图中，摄像头1、单片机控制模块2、超声波测距模块3、万向轮4、横梁5、捡球挡板6、第一储球挡板7、直流减速电机8、底板9、L型支架10、支撑螺柱11、驱动轮12，第二储球挡板13，螺丝14。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明做进一步说明。

如图1-3所示，一种智能捡球机器人，包括底板9，所述底板9为凹字形，所述底板9前端左右两侧对称安装有万向轮4，底板9后端左右两侧对称安装有直流减速电机8，直流减速电机8的输出轴上安装有驱动轮12；所述底板9的前端横架有横梁5，所述横梁5上沿横梁5长度方向铰接若干止出装置，所述止出装置主要由若干捡球挡板6的一端同轴铰接而成，每个捡球挡板6上均旋接有螺栓14，本发明实施例中采用三个捡球挡板6同轴铰接，通过调节螺栓14的旋入深度来调节相邻两个捡球挡板6所夹的角度，如图4所示，当捡球挡板6想要向左边即出球方向转动时，会被固定在横梁5上的螺丝14挡住，无法转动，而当捡球挡板6想要向右边即进球方向转动时，则没有任何阻碍可以顺利让球进入储球室，从而达到只进不出的效果。捡球挡板6的尺寸可以根据球的种类来决定，一般可以使用多块挡板并排而成。

所述底板9的下表面左右两侧均通过L型支架10固定一个第一储球挡板7，两个第一储球挡板7之间固定第二储球挡板13；所述两个第一储球挡板7、第二储球挡板13以及捡球挡板6围成储球室；

所述底板9的上表面支撑有摄像头识别模块，所述摄像头识别模块包括摄像头以及与摄像头相连的树莓派；摄像头通过支撑螺柱11支撑在底板9的上表面，可以拍摄机器人前方较远距离的图像，同时也能看清距机器人较近位置的图形，视野很宽，可以很好地检测球的位置。所述树莓派用于对摄像头拍摄的连续场地图片进行图像识别处理，并将识别得到的信息传输给单片机控制模块。底板9的前端安装有超声波测距模块，可以探测到机器人前端范围较大的障碍物位置。底板9上安装有单片机控制模块和电机驱动模块，所述直流减速电机8与电机驱动模块相连，所述直流减速电机8、摄像头识别模块、电机驱动模块以及超声波测距模块均与单片机控制模块相连，如图5所示。

所述单片机控制模块为一块Arduino单片机，接收摄像头识别模块与超声波测距模块传过来的信息，然后给电机驱动模块发送控制信号控制机器人收集球；作为本发明的实施例，Arduino单片机的型号可以为Mega2560，但不限于此。

作为本发明的实施例，所述摄像头可以采用Waveshare公司RPi Camera型号的产品，但不限于此；所述树莓派可以采用A型或B型；所述超声波测距模块可以采用TELESKY公司HC-SR04型号的产品，但不限于此；所述电机驱动模块可以采用L298N型号的产品，但不限于此。

本发明的工作过程如下：

如图6所示，本发明的具体拾球过程为：

首先，摄像头1先拍摄场地图像，将数据送入树莓派。

然后，树莓派对照片做预处理，将图片从RGB模式转换成HSV模式。

之后，根据球的颜色，对图像进行二值化处理之后，得到黑白图像，此时图像中白色的区域为球颜色区域。

然后，再对二值化后的图像进行形态学处理，去除二值化图像中的干扰。

之后，考虑到球类的圆形特征，使用Hough变换来检测图像中的圆形区域，识别出球的位置。

树莓派将根据球所在的位置，输出不同的信号传递给Arduino单片机，单片机根据输入的信号发送控制信号到电机驱动模块，由其控制左右两个直流减速电机8的转动情况来使机器人左右偏转去收集球。到达球的位置时无需减速，球通过捡球挡板6会自动进入储球室，并被保存其中，然后机器人继续进行识别与捡球的工作。在前方有人或墙等较高的障碍物时，超声波测距模块3会检测到并将信息传达给单片机，在由单片机发出控制信号经电机驱动模块控制直流减速电机8停止并转向。当机器人没有检测到前方有球时，机器人会自动停止运动并原地转圈，寻找周围是否仍有散落的球，若找到了球，则继续向那个方向运动进行捡球，否则则运动到球场外待命。

本发明机器人的运动采用差动控制，即当发现球在机器人的左前方时，单片机控制左电机转速比右电机稍慢，若发现是在右前方，则控制左电机转速比右电机稍快，以此来实现机器人指向球的运动。

本发明不限于此实例，凡是与本发明设计思路相同的设计，对本发明进行了少许改进的变种，均应落入本发明的保护范围。