近年来，跟着改革开放的不断深化，人民生活水平有了极大的进步，更多的人参与到体育锻炼中来，运动员的水平也有了腾跃性地上升，在操练、竞赛中进步功率显得越来越重要。而在操练场地以及竞赛现场，假如能在不需求人工操控的情况下，就主动将操练时击出的许多乒乓球、网球以及或许构成不安全要素的铅球等球类捡回，无疑会削减运动员或作业人员的不必要的劳作，极大地进步操练、竞赛的功率。在咱们一般民众健身运动累了时也多么期望有这么一个东西能帮咱们完结这些不必要的作业啊!
针对这一问题，咱们考虑，是否能够规划一种主动找球、捡球的小车，它能够在运动场地中主动寻觅、辨认、盯梢散落在地上的球体，如发现契合此项操练球类特征，小车将主动调整运动挨近此球，然后操控机械臂将进入U型槽的球体“收入囊中”，这既避免了不必要的劳作，进步了操练、竞赛的功率，一起能够让运动员愈加专心地投入竞赛，获得更好的成果。
依据上述考虑，本队提出了如下规划计划—智能球类收回车。
本著作是以PIC32单片机为中心微操控器，以主动方针盯梢为首要作业办法的智能小车体系，它由视频搜集剖析模块、智能小车驱动模块以及机械臂操控模块等部分组成，此体系有主动方针寻觅、辨认、盯梢、捡拾等功用。
运用此体系，在乒乓球、网球等操练场地以及铅球等风险竞赛现场，能够在彻底脱离作业人员操控的情况下，主动找寻方针捡拾操练、竞赛用球。这样就避免了作业人员或运动员不必要的作业，进步了操练功率，也避免了铅球、铁饼等竞赛、操练中不安全事端产生的或许。在球类竞赛百家争鸣、全民运动热情高涨的今日，该体系的研制、出产、运用必将具有严重的社会、经济效益。
体系功用概述
本体系的作业进程如下：
①通过摄像头调查球场规模，寻觅小球，当视界中呈现一个或多个完好的小球时依据近大远小挑选最大的一个调整小车方位使小球正好坐落小车视界正中心。
②操控小车运动，在运动进程中不断校对小车方向，确认使其正对要捡起的小球，终究使小车抵达小球方位。
③当小球进入车前规划的U型槽时牵动传感器使小车进入捡球形式，操控一个坐落小球上方相似装羽毛球的筒形状的筒放下将小球压入其间，完结捡球。
④持续扫描其他方针进行捡拾，按远近联系顺次捡完球场上一切的小球。摄像头调查检测到没有剩下小球时找寻回来方位标志(比方赤色小旗)回来，完结任务。
本体系首要包括视频搜集剖析模块、智能小车驱动模块以及机械臂操控模块等部分。
硬件模块：
软件流程：
咱们的项目涉及到的软件模块首要由三个部分组成：
一、摄像头定位模块：摄像头结合I2C衔接到单片机上。首要进行图画搜集，核算定位判别，为基层小车操控供给运转操控字。
二、小车操控模块：依据上层供给的操控字，操控步进电机进行左转，右转，行进的运动。这儿考虑到小车是在运转进程中，通过摄像头搜集到的数据进行运动判别，因而小车运转的时刻用守时中止严格操控。每次小车转弯精度为3度，行进间隔为12cm。
三、机械臂操控模块：机械臂的操控模块选用中止操控，当小车的u型槽前部判别小球已进入槽后，进入机械臂中止，操控机械臂向下运动，套入小球后，再让机械臂回到原处。接下来回到主程序持续履行下部操作。
下面，通过流程图具体介绍软件的运转流程：
首要是主函数：主函数是一个while的无限循环：
接下来对上面的各个部分进行阐明：
(1)
摄像头摄影模块选用查询办法，摄像头拍下相片，等候一切数据都传给单片机后，标志位flagd置1。这儿摄像头与单片机是运用I2C进行衔接。流程图如下：
(2)
对摄像头搜集进来的图片进行概括剖析，判别小球的方位。未看到小球时，小车原地旋转，然后再次进行摄影。当看到多个小球时，依据远近联系照成的平面上巨细的不同，将最大的一个锁定为方针。然后依据小球的方位，向小车的操控模块发送操控字，流程图：
(3)
依据上一步送下来的操控字control对小车的运动进行操控，小车的驱动模块接单片机的不同IO口，对IO给出不同的输出别离操控小车向左旋转，向右旋转以及行进。旋转以及行进的精度通过守时中止准确操控;流程图如下：
(4)
有两片塑料片做成的相似人体静脉瓣的设备，当小球进入U型槽后，因为该结构使得小球不会再从槽中脱离出去，而且再槽壁装有传感器，一旦小球入槽，则进入下一步的中止子程序，然后进入捡球状况。流程图如下：
(5)
当检测到小球入槽后，就进入该中止。中止首要将IO清零，避免小车仍然在运动。然后操控机械臂的电机滚动，完成升降。机械臂的筒口也是选用塑料片做成的相似人体静脉瓣的设备，只用筒罩住球就能确保球不再掉出来。流程图如下所示：
视频处理与主动方针辨认模块作业原理
1.1原理概述
摄像头摄影模块选用查询办法，摄像头拍下相片，等候一切数据都传给单片机后，标志位flagd置1。这儿摄像头与单片机是运用I2C进行衔接。对摄像头搜集进来的图片进行概括剖析，判别小球的方位。未看到小球时，小车原地旋转，然后再次进行摄影。当看到多个小球时，依据远近联系照成的平面上巨细的不同，将最大的一个锁定为方针。然后依据小球的方位，向小车的操控模块发送操控字。
1.2 规划细节
本规划选用一种依据球色的球类检测计划。
球类检测是指: 在输入图画中确认是否有球体存在,假如有则确认其方位、巨细的进程。球体检测问题的提出依据人脸辨认,人脸辨认的第一步便是要从图画中检测并定位出人脸的方位，跟着形式辨认技能的开展以及主动化程度的进步, 人脸检测开端作为一个独立的范畴进行研讨。
球体检测办法首要有依据几许特征的办法：依据球色模型的办法和依据核算理论的办法。本文将首要介绍一种依据球色的球体检测算法!
1.2.1 颜色空间的挑选
为了对球色进行切割, 把球体区域从布景中别离出来, 需求运用适宜不同光照条件下的牢靠的球色模型!研讨显现:虽然不同品种、不同原料的球色看上去不同,但这种不同首要会集在亮度上, 在去除亮度的颜色空间里,不同球体的颜色散布具有聚类性。本文中的球色模型便是在这样的颜色空间里树立的。一般所用的表现五颜六色图画的办法是R G B , 可是在这儿, R G B 空间不再适宜用来作为球色模型的色度空间，因为在R G B 图中, (r,g,b) 这三个重量不光代表着图画的颜色散布, 而月还表明着图画的亮度(图画中每个像素的亮度等于其R G B 三个重量之和),而亮度是一个十分不稳定的参量, 它很简单遭到周围环境的影响而导致别离球色区域的失利。因而选用把亮度别离的色度空间能够减小亮度的影响。
Y Cb Cr 颜色空间中的球色散布集合在色度空间中一个较小的区域中, 它具有以下几个长处:(1)具有与人类视觉感知进程相相似的构成原理;(2) Y Cb Cr颜色空间格局广泛地运用在电视显现等范畴中, 也是许多视频编码, 如MPEG、JPEG 等规范中遍及选用的颜色表明格局;(3)Y Cb Cr颜色空间格局月有与HSI等其它一些颜色空间格局相相似的将颜色中的亮度重量别离出来的长处。
因而,本文终究挑选了Y Cb Cr颜色空间进行球色建模。
1.2.2 球色的相似度核算
依据球体颜色在Y Cb Cr空间的概率散布特性,树立一个高斯球色模型,其概率密度函数用式(1)表明:
(1)
其间C 为协方差矩阵
(2)在前面树立的球色模型的基础上, 通过球色相似度核算公式:
(3)
能够核算单个像素的球色相似度值, 而且很简单得到整幅图画的最大球色相似度值。每
一点像素的球色相似度值除以最大球色相似度值,作为i亥缘素点的灰度值,然后得到球色相似度。
因为咱们传输的图片归于RGB形式，因而需求进行颜色空间改动。
Y = 0.257*R + 0.504*G +0.098*B + 16;
Cr = 0.439*R – 0.368*G – 0.071*B + 128;
Cb = -0.148*R -0.291*G + 0.439*B +128;
1.2.3 图画的二值化切割
二值图画是指图画中的每个像素只取两个离散的值之一(如0, l) ，用数学公式表明为:
(4)
上式中, f 认刃表明一幅数字图画, x,y是该图画中某个像素点的坐标值,0 和1 表明该像素的像素取值。0 和1是个笼统的表明,并非实践像素值,它能够代表不同的颜色,在这儿0代表黑色, 1代表白色, 所得到的图便是一个是非二值图。将图二值化是因为,二值图画中的许多运算是逻辑运算而不是算术运算, 所需的处理时刻很短,核算速度快,而且算法也简单了解和完成。
二值化图画能够通过选取恰当的阀值获得。挑选适宜的阀值是图画二值化切割作用好坏的要害。通过对球体灰度图画进行剖析能够发现，真实的球色像素比较于非球色像素往往具有更高的亮度,所以能够设定一个阀值,当该点像素的近似度高于这个阀值则以为该点为球色像素并置1,反之若低于该阀值则置0。
1.2.4 候选球体的确认
通过滑润滤波处理后, 二值化图中的部分噪声能够被去除,但因为布景较杂乱,受影响的要素许多, 图中仍然会存在许多面积较小的非球体区域。为了削减算法的工二作量,需求进一步扫除这些不含球体的区域。因而对二值切割图中的这些区域进行份额结构的剖析,过滤掉不或许的球体区域,以确认终究的候选球体区域。
本文将用以下两个办法对候选球体区域进行挑选:
(1)区域的面积:去掉面积较小区域,即删去面积小于30 以下的区域, 其面积为该区域中的白色像素点的个数。
(2) 区域的长宽比:一般来说球体(以网球为例)的直径介于6.35cm至6.67cm之间，考虑到其他球体直径或许大于网球， 故选取的规模的上限能够恰当扩大,通过屡次实验发现, 当把球体的选取规模定在直径为8cm的时分,真实的球体区域一般都能包括在内,不会被删去。这个条件考虑到了真实包括球体区域的规模巨细, 扫除了一些相似球类颜色但直径不合要求的区域。
1.2.5 总结
综上所述, 依据球色的球体检测办法能较好的切割出或许的球体区域, 把挨近于球体颜色的区域从图画中别离出来, 使得方针区域能较好地提取。因为此算法首要挑选掉了一部散布景,减小了球体查找规模,故能够大幅度进步检测的速度。对切割出来的或许球色区域几许直径的挑选, 进一步扫除了较为显着的搅扰区域, 在必定程度上削减了后续模板匹配进程的作业量。
2、小车驱动作业模块作业原理
该模块充沛运用了pic32单片机存储容量大， 运算速度快，数据传输敏捷的特色，成功将Y Cb Cr颜色空间进行球色建模的算法移植到单片机上完成，大大缩减了本钱。
单片机首要通过串口(38400Baud)承受摄像头摄影获得的R G B图画(70*70)，然后将每个像素点的R，G，B转成Y,Cr,Cb。接下来履行上述所提“依据Y ，Cb，Cr颜色空间进行球色建模”的算法(算法具体完成见附录代码，已做具体注释)，完成对小球的空间定位，判别小球的重心与摄像头中心的方位联系。再依据得到的方位联系，对单片机的IOA口赋值(0：中止，1：左转，2：右转，3：直行)，然后驱动小车的电机完成小车的运作。
这儿关于精度的判别至关重要。咱们通过重复验证。终究选定：关于左转，右转延时10个毫秒，然后完成X轴2个刻度的改动。关于行进延时20个毫秒，然后完成Y轴3个刻度的改动。之所以挑选上面的转弯以及行进步长，是考虑到核算得到的重心与摄像头中心或许存在的差错，通过咱们的实验证明，上述差错是不会影响终究成果的。
3、机械臂捡球模块作业原理
有两片塑料片做成的相似人体静脉瓣的设备，当小球进入U型槽后，因为该结构使得小球不会再从槽中脱离出去，而且再槽壁装有传感器，一旦小球入槽，则进入下一步的中止子程序，然后进入捡球状况。
当检测到小球入槽后，就进入该中止。中止首要将IO清零，避免小车仍然在运动。然后操控机械臂的电机滚动，完成升降。机械臂的筒口也是选用塑料片做成的相似人体静脉瓣的设备，只用筒罩住球就能确保球不再掉出来。
4、运用远景剖析
本智能球类收回车是未来体育运动中电子体系的重要组成部分的根本模型。本体系将完成在杂乱球场环境中主动寻觅、辨认、盯梢契合既定要求的方针并收回的功用。
假如将来投入实地运用，可选用愈加专用的操控体系及硬件体系，即可完成更高功率的作业，不只能够捡拾网球等小球还能够捡拾篮球、排球等相对较大的球体以及乃至其他形状的运动器材，使参与运动的人能全身心沉浸到运动带来的欢喜中而不必管捡球等一些繁琐且费时吃力的作业。运动员能够进行愈加高效有序的操练，获得更好的成果，表现本体系的规划初衷，显示本体系的社会、经济效益。
