帶有基于顏色的狀態(tài)機的SegBot

描述

介紹

在這個項目中，使用了一個定制的 Segway 機器人，它使用 NI myRio 平臺進行操作。該平臺還安裝了 Texas Instruments 的 MSP430 芯片。這個項目的目標(biāo)是讓機器人在它的 2 個輪子上保持平衡，同時連接在機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，機器人執(zhí)行不同的軌跡。

SegBot 的控制和穩(wěn)定性

機器人通過狀態(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)動車輪的電機。當(dāng)參考狀態(tài)為 0 時，這意味著機器人的固定直立位置是所需的姿勢。

由于我們有 2 個可以獨立控制的輪子，因此可以在保持直立姿勢的同時改變 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，該控制器向每個車輪輸出不同的扭矩。

為了估計機器人的傾斜，使用卡爾曼濾波器?？柭鼮V波器將來自加速度計的緩慢響應(yīng)但準(zhǔn)確的傾斜測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。使用這兩個信號，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。

使用車輪編碼器數(shù)據(jù)計算機器人的移動速度。PI 控制器使用所需速度作為參考輸入，并使用機器人當(dāng)前的移動速度來確定傾斜角的變化量達到所需速度。這個期望的傾斜角充當(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 的圖像處理工具進行處理。為了構(gòu)建基于顏色檢測的狀態(tài)機，必須確定圖像包含什么顏色以及與該顏色對應(yīng)的最大斑點大小是多少。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），相機檢測視圖中的顏色并計算該顏色最大斑點中的像素數(shù)。然后將計算出的像素數(shù)與給定的閾值進行比較，以確保它是正確的瞄準(zhǔn)，而不是圖像處理中的一些錯誤/噪聲。當(dāng)找到正確的瞄準(zhǔn)點時，它被用作確定所需機器人軌跡的狀態(tài)機的輸入。

基于顏色的狀態(tài)機工作如下。當(dāng)相機檢測到一種顏色時，Segbot 會執(zhí)行一次與該顏色對應(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)相機發(fā)現(xiàn)綠色時執(zhí)行數(shù)字 8，當(dāng)它發(fā)現(xiàn)橙色時，機器人完成一個圓圈。機器人被編程為不喜歡粉紅色，因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)粉紅色時，機器人會轉(zhuǎn)身遠(yuǎn)離該顏色 90 度。最后，如果看不到任何顏色，機器人將保持直立狀態(tài)。

與 MSP430 通信

MSP430 用于控制機器人本身的 LED 轉(zhuǎn)向信號。當(dāng)機器人向左或向右轉(zhuǎn)彎時，該方向的 LED 會閃爍，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)是所需機器人的轉(zhuǎn)角。增加轉(zhuǎn)彎角度會激活右轉(zhuǎn)彎信號，而減小轉(zhuǎn)彎角度會激活左轉(zhuǎn)彎信號。

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