帶有基于顏色的狀態(tài)機(jī)的SegBot

描述

介紹

在這個(gè)項(xiàng)目中，使用了一個(gè)定制的 Segway 機(jī)器人，它使用 NI myRio 平臺(tái)進(jìn)行操作。該平臺(tái)還安裝了 Texas Instruments 的 MSP430 芯片。這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是讓機(jī)器人在它的 2 個(gè)輪子上保持平衡，同時(shí)連接在機(jī)器人上的攝像頭以顏色的形式尋找命令。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)攝像頭看到的顏色，機(jī)器人執(zhí)行不同的軌跡。

SegBot 的控制和穩(wěn)定性

機(jī)器人通過狀態(tài)反饋控制器穩(wěn)定。此控件的狀態(tài)包括輪速、機(jī)器人的傾斜度和傾斜率。根據(jù)輸出的扭矩，PWM 電壓被發(fā)送到驅(qū)動(dòng)車輪的電機(jī)。當(dāng)參考狀態(tài)為 0 時(shí)，這意味著機(jī)器人的固定直立位置是所需的姿勢(shì)。

由于我們有 2 個(gè)可以獨(dú)立控制的輪子，因此可以在保持直立姿勢(shì)的同時(shí)改變 segbot 的方向（例如，繞其軸旋轉(zhuǎn)）。這是通過找出車輪編碼器讀數(shù)的差異來完成的。如果需要旋轉(zhuǎn)，則將所需編碼器差異的變化輸入到 PI 控制器，該控制器向每個(gè)車輪輸出不同的扭矩。

為了估計(jì)機(jī)器人的傾斜，使用卡爾曼濾波器?？柭鼮V波器將來自加速度計(jì)的緩慢響應(yīng)但準(zhǔn)確的傾斜測(cè)量與陀螺儀給出的響應(yīng)但嘈雜的旋轉(zhuǎn)速率融合在一起。使用這兩個(gè)信號(hào)，卡爾曼濾波器給出可用于狀態(tài)反饋控制的準(zhǔn)確和響應(yīng)信號(hào)。

使用車輪編碼器數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)器人的移動(dòng)速度。PI 控制器使用所需速度作為參考輸入，并使用機(jī)器人當(dāng)前的移動(dòng)速度來確定傾斜角的變化量達(dá)到所需速度。這個(gè)期望的傾斜角充當(dāng)上面討論的主狀態(tài)反饋控制法則的參考輸入。

顏色處理和狀態(tài)機(jī)邏輯

圖像取自網(wǎng)絡(luò)攝像頭，并使用 LabView 的圖像處理工具進(jìn)行處理。為了構(gòu)建基于顏色檢測(cè)的狀態(tài)機(jī)，必須確定圖像包含什么顏色以及與該顏色對(duì)應(yīng)的最大斑點(diǎn)大小是多少。循環(huán)遍歷 LabView 代碼中定義的四種 HSV 顏色定義（粉紅色、綠色、橙色和無顏色），相機(jī)檢測(cè)視圖中的顏色并計(jì)算該顏色最大斑點(diǎn)中的像素?cái)?shù)。然后將計(jì)算出的像素?cái)?shù)與給定的閾值進(jìn)行比較，以確保它是正確的瞄準(zhǔn)，而不是圖像處理中的一些錯(cuò)誤/噪聲。當(dāng)找到正確的瞄準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，它被用作確定所需機(jī)器人軌跡的狀態(tài)機(jī)的輸入。

基于顏色的狀態(tài)機(jī)工作如下。當(dāng)相機(jī)檢測(cè)到一種顏色時(shí)，Segbot 會(huì)執(zhí)行一次與該顏色對(duì)應(yīng)的軌跡，并在完成后停止。然后它一直保持直立狀態(tài)，等待另一種顏色。

在我們的例子中，當(dāng)相機(jī)發(fā)現(xiàn)綠色時(shí)執(zhí)行數(shù)字 8，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)橙色時(shí)，機(jī)器人完成一個(gè)圓圈。機(jī)器人被編程為不喜歡粉紅色，因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)粉紅色時(shí)，機(jī)器人會(huì)轉(zhuǎn)身遠(yuǎn)離該顏色 90 度。最后，如果看不到任何顏色，機(jī)器人將保持直立狀態(tài)。

與 MSP430 通信

MSP430 用于控制機(jī)器人本身的 LED 轉(zhuǎn)向信號(hào)。當(dāng)機(jī)器人向左或向右轉(zhuǎn)彎時(shí)，該方向的 LED 會(huì)閃爍，直到轉(zhuǎn)彎完成。myRio 通過用于發(fā)送和接收 16 位整數(shù)的 I2C 協(xié)議與 MSP430 通信。從 myRio 發(fā)送到 MSP430 的數(shù)據(jù)是所需機(jī)器人的轉(zhuǎn)角。增加轉(zhuǎn)彎角度會(huì)激活右轉(zhuǎn)彎信號(hào)，而減小轉(zhuǎn)彎角度會(huì)激活左轉(zhuǎn)彎信號(hào)。

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