CMUcam5 Pixy視覺相機傳感器簡介第二部分—創(chuàng)建球平衡梁

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

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這是CMUcam5 Pixy簡介的第二部分。如果您對PixyMon不太熟悉，請先回顧 CMUcam5 Pixy視覺相機傳感器簡介。在第一部分中，我介紹了Pixy的基礎(chǔ)知識，解釋了hello_world代碼，并創(chuàng)建了一個簡單的伺服驅(qū)動的應(yīng)用程序。在本教程中，我將進一步探索Pixy的應(yīng)用，創(chuàng)建一個球平衡梁。通過一個伺服來設(shè)置平衡梁的角度，使球停留在中間，當然，Pixy相機傳感器會對球進行追蹤。

硬件

Arduino Uno (您可以使用任何 Arduino)

CMUcam5 Pixy 相機

伺服電機 (S06NF)

木片和螺絲

數(shù)據(jù)線（用于相機USB MINI 以及Uno USB B）

用于伺服的5V外部電源（！警告！如果您將伺服連接到Arduino通過USB進行供電，您的Arduino將會被燒壞）

軟件

Arduino IDE 1.6.9

PixyMon 軟件 (https://cmucam.org/projects/cmucam5/wiki/Install_PixyMon_on_Windows_Vista_7_8)

PixyMon 用于 Arduino 的庫(https://cmucam.org/projects/cmucam5/wiki/Latest_release)

Processing 3.1.1 (https://processing.org/download/?processing)

Processing的簡單介紹

Processing是非常有用又靈活的一款軟件。它主要用于視覺藝術(shù)和科技領(lǐng)域的視覺語言。這款軟件具有100多個庫，可支持各種項目。它的文檔非常齊全，提供了許多使用指南，涵蓋了從編程基礎(chǔ)到可視化等各種主題。它能夠支持所有操作系統(tǒng)（GNU/Linux, Mac OS X, 和 Windows）。該軟件的設(shè)計幾乎和Arduino IDE相同。

今天，我們將使用Processing，通過串行通信實現(xiàn)與Arduino之間的通信。

圖1：Processing界面

項目概況

在此項目中，我將制作一個球平衡梁，一個用木頭制成的“通道”將會像一桿秤那樣使球保持平衡（圖2）。平衡梁44cm寬，3cm高。我把它制造的像通道一樣狹窄，使我們所追蹤的球不會掉落出去。

我使用S06NF伺服電機來移動整個平衡梁，該電機由Arduino進行控制。之后我們會看一下在本教程后面部分的代碼?，F(xiàn)在，我已經(jīng)將伺服放置在了距離平衡梁左端?的位置。

圖2：S06NF STD 伺服電機/ ?RobotShop inc.

伺服將上下移動平衡梁，同時，球也會沿著該路徑移動。

圖3：平衡梁上下移動

數(shù)碼相機將會放置在平衡梁上。我將相機的視野范圍設(shè)置為僅限于平衡梁。這樣，相機就會只追蹤球，不追蹤任何其他物體了。

平衡梁結(jié)構(gòu)

首先，我們需要一些用于構(gòu)建平衡梁的材料。我將要使用的是一種簡單的XXMM木材（20cm x 27cm）。我用圓鋸來切割木材，但是您可以使用現(xiàn)有的任何類型的鋸來完成切割，只要能夠保障切割面平整、均勻即可。

圖4：XXMM木材

請記住，只有使用正確的工具才能夠制造出完美的平衡梁！我使用的是一把錘子、一把直尺、釘子、砂紙、熱膠、一個鉆頭和一把鋸子。

圖5：工具

首先，我將制造一個通道，使球能夠在其中左右移動。通道的側(cè)面由四塊木板組成（每個21cm x 3cm）。通道在高度方向的兩端將由兩塊木板（4cm x 3cm）封接。底座的尺寸是42cm x 3cm x 1cm。

我使用15mm大帽釘來連接零部件。

圖6：封閉通道

在通道中間建立傾斜點有很多種方法。我使用了一種非常簡單的方法，因為成本最低且最容易實現(xiàn)。我用了一個長釘子，兩個像軸承一樣的小管子，先標記了通道的中心點，然后將這些小軸承熱粘合到該中心點，再插入釘子。

圖7：用于構(gòu)建傾斜點的釘子和管子

為了設(shè)置傾斜點，我們還需要為釘子制作支架。我用了兩塊8cm x 2cm的木板，如圖8所示。我還制作了一個小平臺，可以將所有東西放置在一起，尺寸為12cm x 4.5cm。

圖8：傾斜點支架

我使用了一小塊木材來安裝伺服并將其架起。

圖9：安裝在木板上的伺服

在本教程中我使用的是Arduino UNO，但是您也可以使用其他具有SPI連接器的Arduino來連接到Pixy相機。

連接所有部件

一旦構(gòu)建完成，下一步就是將Pixy相機連接到Arduino，然后再連接到伺服。原理圖與 CMUcam5 Pixy視覺相機傳感器簡介中的相同。我仍然使用外部5V電源為伺服供電。

！警告！不要忘記連接接地端。如果沒有將電源、伺服和Arduino接地端相連接，伺服將會失控！

圖10：接線圖

接下來，我需要在平衡梁結(jié)構(gòu)上方的某個位置設(shè)置Pixy，以便它可以隨時檢測到球的位置。調(diào)整設(shè)置使其僅可以對球進行檢測。請參考第一部分進行設(shè)置。

圖11：Pixy視覺

現(xiàn)在，讓我們來看一些代碼。為了檢測伺服是否工作正常，我修改了中間、最右邊和最左邊的角度，使其適合于我的結(jié)構(gòu)。

#include 



uint8_t leveled = 110;     //middle positon for s1 to keep the board leveled

uint8_t far_right = 180;     //far left positon for s1 to keep the board leveled

uint8_t far_left = 0;     //far right positon for s1 to keep the board levele

Servo s;  

void setup(){

s.write(leveled);

  delay(2000);

  s.write(far_right);

  delay(2000);

  s.write(far_left);

  delay(2000);

}

void loop(){

}

當然，您可以根據(jù)自己的喜好來調(diào)整變量。

之前，我介紹了一個名叫Processing的軟件。我將使用它通過串行通信來實現(xiàn)與Arduino的通信。

Arduino 代碼

簡單的串行通信:

#include 
#include  

char val; // Data received from the serial port
 int ledPin = 13; // Set the pin to digital I/O 13
void setup() {
   pinMode(ledPin, OUTPUT); // Set pin as OUTPUT
   Serial.begin(9600); // Start serial communication at 9600 bps
 }
 void loop() {
   if (Serial.available())
   { // If data is available to read,
 	val = Serial.read(); // read it and store it in val
   }
   if (val == '1')
   { // If 1 was received
 	digitalWrite(ledPin, HIGH); // turn the LED on
   } else {
 	digitalWrite(ledPin, LOW); // otherwise turn it off
   }
   delay(10); // Wait 10 milliseconds for next reading
}

Processing 代碼

import processing.serial.*;

Serial myPort;  // Create object from Serial class

void setup()
{
  size(200,200); //make our canvas 200 x 200 pixels big
  String portName = Serial.list()[0]; //change the 0 to a 1 or 2 etc. to match your port
  myPort = new Serial(this, portName, 9600);
}
void draw() {
  if (mousePressed == true)
  {                       	//if we clicked in the window
   myPort.write('1');     	//send a 1
   println("1");  
  } else
  {                       	//otherwise
  myPort.write('0');      	//send a 0
  }  
}

改代碼創(chuàng)建了一個200×200像素的窗口并初始化串行端口。draw()空函數(shù)用于檢查是否在窗口上按下了鼠標（如果按下寫入1，沒有按下則寫入0）。

現(xiàn)在，我們來測試代碼。點擊運行，然后嘗試點擊窗口中任意位置，這時您的LED燈應(yīng)發(fā)生閃爍，這就表示著一切工作正常！

圖12：Processing 和 Arduino代碼的基本測試

使用Processing編程

我獲取了伺服的相關(guān)值，并在Processing中對其進行了處理，所以產(chǎn)生了一個類似于下圖所示的圖片。

圖13：示例圖片

請用以下代碼創(chuàng)建圖像：

import processing.serial.*;

Serial myPort;        // The serial port
int xPos = 1;         // horizontal position of the graph
float inByte = 0;

void setup () {
  // set the window size:
  size(400, 300);

  // List all the available serial ports
  // if using Processing 2.1 or later, use Serial.printArray()
  println(Serial.list());

  // I know that the first port in the serial list on my mac
  // is always my  Arduino, so I open Serial.list()[0].
  // Open whatever port is the one you're using.
  myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);

  // don't generate a serialEvent() unless you get a newline character:
  myPort.bufferUntil('n');

  // set inital background:
  background(0);
}
void draw () {
  // draw the line:
  stroke(127, 34, 255);
  line(xPos, height, xPos, height - inByte);

  // at the edge of the screen, go back to the beginning:
  if (xPos >= width) {
    xPos = 0;
    background(0);
  } else {
    // increment the horizontal position:
    xPos++;
  }
}


void serialEvent (Serial myPort) {
  // get the ASCII string:
  String inString = myPort.readStringUntil('n');

  if (inString != null) {
    // trim off any whitespace:
    inString = trim(inString);
    // convert to an int and map to the screen height:
    inByte = float(inString);
    println(inByte);
    inByte = map(inByte, 0, 1023, 0, height);
  }
}

Arduino 代碼:

#include 
#include 
#include 
#include  

//37       	164       	288

uint8_t leveled = 110;    	//middle positon for s1 to keep the board leveled	
uint8_t far_right = 180;    	//far left positon for s1 to keep the board leveled
uint8_t far_left = 0;    	//far right positon for s1 to keep the board levele
int current_pos = leveled;
int percentage,var,_percen;


Servo s;        	
Pixy pixy;

void test_board(){
  while(Serial.read() != 'b');
  Serial.write("Starting test");
  s.write(leveled);
  delay(2000);
  s.write(far_right);
  delay(2000);
  s.write(far_left);
  delay(2000);
  Serial.write("Finished test, press any key to continue");
  while(Serial.read() != 'c');
  s.write(current_pos);
  Serial.write("Continued");
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  s.attach(9);
  pixy.init();
  while (!Serial);
  //test_board();
  s.write(current_pos);
}
void _servo(unsigned char side,int var){
  //by the % we get how "hard" we need to wip :D
  var = var - 90;
  if(side == 'L'){
	//Serial.write("LEFT");
	//90  180
	_percen = 90 + var;
	s.write(_percen);
  }else{
	//Serial.write("RIGHT");
	//0  90
	_percen = 90 - var;
	s.write(_percen);
  }
}
void loop() {
  static int i = 0;
  int j;
  uint16_t blocks;
  char buf[32];
 
  // grab blocks!
  blocks = pixy.getBlocks();
 
  // If there are detect blocks, print them!
  if (blocks)
  {
	i++;
	
	// do this (print) every 50 frames because printing every
	// frame would bog down the Arduino
	if (i%1 ==0)
	{
  	//sprintf(buf, "Detected %d:n", blocks);
  	//Serial.print(buf);
  	for (j=0; j= 0){
    	//  Serial.write("LEFT");
      	var = percentage / 0.4;
      	_servo('L',var);
    	}else if(percentage >= 60 && percentage <= 110){
      	//Serial.write("RIGHT");
      	var = (percentage - 60) / 0.5;
      	_servo('R',var);
    	}else{
      	//Serial.write("MIDDLE");
    	}
  	}
	}
  } 
 
}

代碼釋義

我將x的位置從Pixy轉(zhuǎn)換為0-100%，并由此了解球的具體位置。通過獲取球的位置，我可以調(diào)整伺服轉(zhuǎn)速。如果球的位置<=10%，伺服會轉(zhuǎn)得更快來維持平衡；如果在~40%附近，伺服會以很低的轉(zhuǎn)速來維持平衡。想要一直保持平衡是比較棘手的，我們可以改進算法以使其更加精確。

以下是一些有益于提升的建議：

? 嘗試多種算法
? 有多種類型的數(shù)學(xué)算法可以進行計算。我至少嘗試了兩到三種，但是最后決定選擇該算法。我建議您自己來編寫算法，以更好地掌握這種平衡的方法。

? 更好的硬件
? 對于本項目來說，沒有什么材料可稱得上是完美的，木材就更差得遠了。如果我擁有及時可用的資源，那我會選擇用金屬來建造它，這樣整個項目將會更加穩(wěn)定和精確。

? 變得更快
? 我們?nèi)绾巫龅绞蛊涓斓鼗謴?fù)平衡？我在這里使用了一個簡單的伺服。我們可以將其替換為UART或者AX-12之類的伺服，它們會強大、快速得多。速度也與算法有關(guān)。同樣，我建議您嘗試不同的算法，以找到適用于您的目的的算法。

有許多項目使用類似的概念來對平衡某物體。除了Pixy，您還可以將OpenCV與任何網(wǎng)絡(luò)相機一起使用來檢測目標和顏色。除了Processing，還有Max/MSP版本5。您可以使用距離傳感器、壓力傳感器等。因此，有多種方式可以幫助您對該項目進行提升，使其更加堅固、穩(wěn)定和更快。

審核編輯黃宇