CN107943065B - 机器人自平衡模拟实验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人自平衡模拟实验系统，包括自平衡模拟试验台和自平衡模拟控制系统，自平衡模拟试验台包括支撑底板、支撑架、自平衡模拟板支架、自平衡模拟板、X轴舵机支架、X轴舵机、第一X轴传动杆、第二X轴传动杆、Y轴舵机支架、Y轴舵机、第一Y轴传动杆、第二Y轴传动杆和摄像头；自平衡模拟控制系统包括微控制器、图像处理器和按键操作电路，摄像头的输出端与图像处理器的输入端连接，X轴舵机和Y轴舵机均与微控制器的输出端连接；本发明还公开了一种机器人自平衡模拟实验方法。本发明设计新颖合理，将在丰富学生实验环节的同时，还能够为机器人自平衡的研究提供很好的平台，为机器人自平衡稳定性的实现贡献力量，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种机器人自平衡模拟实验系统及方法。
背景技术
机器人的诞生和机器人学的建立及发展，是20世纪自动控制领域最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。现在全世界已经有100万台机器人，销售额每年增加20％及以上。机器人技术和工业得到了前所未有的发展。机器人技术是现代科学与技术交叉和综合的体现，先进机器人的发展代表着国家综合科技实力和水平，因此目前许多国家都已经把机器人技术列入本国21世纪高科技发展计划。随着机器人应用领域的不断扩大，机器人已从传统的制造业进入人类的工作和生活领域，另外，随着需求范围的扩大，机器人结构和形态的发展呈现多样化。高端系统具有明显的仿生和智能特征，其性能不断提高，功能不断扩展和完善；各种机器人系统便逐步向具有更高智能和更密切与人类社会融洽的方向发展。在双足机器人和轮式机器人研究开发中，都涉及到机器人自平衡稳定性的问题，机器人自平衡稳定性是实现机器人稳定可靠行走的前提条件。
为了研究实现机器人的自平衡稳定性，需要做大量的实验，但是，如果采用购买的机器人教具或者自制机器人进行实验，成本较高，在学生教学实践中，很难做到人人都能动手操作，为此，如果能有一套模拟实验系统用于研究机器人自平衡，将在丰富学生实验环节的同时，还能够为机器人自平衡的研究提供很好的平台，为机器人自平衡稳定性的实现贡献力量，但是现有技术中还缺乏这样的实验系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单，设计新颖合理，实现方便且成本低，能够用于机器人自平衡模拟实验，将在丰富学生实验环节的同时，还能够为机器人自平衡的研究提供很好的平台，为机器人自平衡稳定性的实现贡献力量，实用性强的自平衡实验室模拟系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：包括自平衡模拟试验台和自平衡模拟控制系统，所述自平衡模拟试验台包括支撑底板和固定连接在支撑底板一侧的支撑架，所述支撑底板的顶部中间位置处固定连接有自平衡模拟板支架，所述自平衡模拟板支架的顶部放置有供自平衡模拟球在其上滚动的自平衡模拟板，所述支撑底板的顶部位于自平衡模拟板支架的一侧固定连接有X轴舵机支架，所述X轴舵机支架的顶部固定连接有X轴舵机，所述X轴舵机的输出轴上固定连接有第一X轴传动杆，所述第一X轴传动杆上铰接有端部固定连接在自平衡模拟板底部一侧的第二X轴传动杆，所述支撑底板的顶部位于与固定X轴舵机支架的位置之间的夹角为90°的位置处固定连接有Y轴舵机支架，所述Y轴舵机支架的顶部固定连接有Y轴舵机，所述Y轴舵机的输出轴上固定连接有第一Y轴传动杆，所述第一Y轴传动杆上铰接有端部固定连接在自平衡模拟板底部的第二Y轴传动杆，所述自平衡模拟板底部固定第二Y轴传动杆的一侧与固定第二X轴传动杆的一侧相垂直，所述支撑架的顶部悬挂设置有用于对自平衡模拟球及自平衡模拟板的图像进行拍摄的摄像头；所述自平衡模拟控制系统包括微控制器和与微控制器相接且用于对摄像头拍摄到的图像进行处理的图像处理器，所述微控制器的输入端接有按键操作电路，所述摄像头的输出端与图像处理器的输入端连接，所述X轴舵机和Y轴舵机均与微控制器的输出端连接。
上述的机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：所述支撑架包括固定连接在支撑底板一侧的底部纵梁和垂直设置在底部纵梁一侧且与底部纵梁固定连接的底部横梁，所述底部横梁的顶部固定连接有交叉设置的第一斜梁和第二斜梁，所述第一斜梁和第二斜梁的顶部固定连接有顶部横梁，所述摄像头悬挂设置在顶部横梁的底部。
上述的机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：所述摄像头为Openwrt挂载摄像头，所述图像处理器为NanoPi M3开发板；所述微控制器为单片机STM32F103ZET6，所述NanoPi M3开发板的串口与单片机STM32F103ZET6的串口连接。
上述的机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：所述X轴舵机和Y轴舵机均为MG996R舵机，所述X轴舵机和Y轴舵机的控制信号输入端口均与单片机STM32F103ZET6的I/O输出端口连接；所述按键操作电路为4×4矩阵键盘。
上述的机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：所述自平衡模拟球为红色球，所述自平衡模拟板为白色磨砂亚克力板。
本发明还提供了一种方法步骤简单，实现方便，精度高，效率高，为机器人自平衡稳定性的实现贡献力量，实用性强的机器人自平衡模拟实验方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在自平衡模拟板的顶面上用黑色线条划分N个自平衡模拟球平衡区域，将划分出的N个自平衡模拟球平衡区域编号为1号、2号、…、N号，并用黑色点标出每个自平衡模拟球平衡区域的中心点；其中，N的取值为4～16的正整数；
步骤二、以自平衡模拟板位于X轴舵机和Y轴舵机之间的顶点为坐标原点，以自平衡模拟板连接第二Y轴传动杆的一侧为X轴，以自平衡模拟板连接第二X轴传动杆的一侧为Y轴，建立直角坐标系；
步骤三、用尺子测量得到每个自平衡模拟球平衡区域的中心点在步骤二中建立的直角坐标系下的物方坐标；其中，第i个自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标表示为(Xi,Yi)，i的取值为1～N的正整数；
步骤四、摄像头拍摄自平衡模拟板顶面图像并将拍摄到的图像输出给图像处理器；
步骤五、图像处理器对自平衡模拟板顶面图像进行处理，得到每个自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标与自平衡模拟板顶面图像像素点坐标的对应关系表并输出给微控制器进行存储；其中，与第i个自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标(Xi,Yi)对应的自平衡模拟板顶面图像像素点的坐标表示为(xi,yi)；
步骤六、将自平衡模拟球放置在自平衡模拟板的顶面上编号为j的自平衡模拟球平衡区域中心点位置处后，操作按键操作电路，输入自平衡模拟球将要到达的自平衡模拟球平衡区域的编号r，微控制器接收自平衡模拟球平衡区域的编号r，并根据每个自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标与自平衡模拟板顶面图像像素点坐标的对应关系表，查找得到将要到达的自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标对应的自平衡模拟板顶面图像像素点的坐标(xr,yr)；其中，j的取值和r的取值均为1～N的正整数且j≠r；
步骤七、摄像头拍摄自平衡模拟球在自平衡模拟板顶面的位置图像并将拍摄到的图像输出给图像处理器；
步骤八、图像处理器对自平衡模拟球在自平衡模拟板顶面的位置图像进行处理，得到自平衡模拟球的中心坐标(xo,yo)并输出给微控制器，微控制器将自平衡模拟球的中心坐标(xo,yo)与将要到达的自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标对应的自平衡模拟板顶面图像像素点的坐标(xr,yr)进行比对，当(xo,yo)与(xr,yr)不相同时，微控制器先比较xo与xr的差异，并根据xo与xr的差异，采用PID控制方法进行脉冲计数产生PWM信号控制X轴舵机转动，X轴舵机通过第一X轴传动杆和第二X轴传动杆带动自平衡模拟板在X轴方向上运动，从而使自平衡模拟球在自平衡模拟板顶面上滚动，在X轴方向上向其将要到达的自平衡模拟球平衡区域的中心点运动；微控制器再比较yo与yr的差异，并根据yo与yr的差异，采用PID控制方法进行脉冲计数产生PWM信号控制Y轴舵机转动，Y轴舵机通过第一Y轴传动杆和第二Y轴传动杆带动自平衡模拟板在Y轴方向上运动，从而使自平衡模拟球在自平衡模拟板顶面上滚动，在Y轴方向上向其将要到达的自平衡模拟球平衡区域的中心点运动；直至(xo,yo)与(xr,yr)相同；当(xo,yo)与(xr,yr)相同时，微控制器记录从自平衡模拟球开始运动到(xo,yo)与(xr,yr)相同的时间，并将记录的时间t定义为自平衡模拟球从编号为j的自平衡模拟球平衡区域中心点到达编号为r的自平衡模拟球平衡区域中心点的时间，模拟机器人从一个运动平衡位置到达另一个运动平衡位置的过程以及到达所需要的时间。
上述的方法，其特征在于：步骤五中所述图像处理器对自平衡模拟板顶面图像进行处理，得到每个自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标与自平衡模拟板顶面图像像素点坐标的对应关系表的具体过程为：
步骤501、图像处理器根据公式对自平衡模拟板顶面图像G(x,y)进行全局阈值分割处理，得到自平衡模拟板顶面图像的二值化图像f(x,y)；其中，T为全局阈值分割处理的分割阈值，所述二值化图像f(x,y)中，自平衡模拟球平衡区域的边界线和自平衡模拟球平衡区域的中心点为黑色，背景区域为白色；
步骤502、在二值化图像f(x,y)中构建与步骤二中建立的直角坐标系位置相对应的直角坐标系，并计算出自平衡模拟板顶面图像中各个自平衡模拟球平衡区域中心点的像素点坐标；
步骤503、将自平衡模拟板顶面图像中各个自平衡模拟球平衡区域中心点的像素点坐标与每个自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标相对应，得到每个自平衡模拟球平衡区域中心点的物方坐标与自平衡模拟板顶面图像像素点坐标的对应关系表。
上述的方法，其特征在于：步骤八中所述图像处理器对自平衡模拟球在自平衡模拟板顶面的位置图像进行处理，得到自平衡模拟球的中心坐标(xo,yo)的具体过程为：
步骤801、图像处理器调用二值化图像处理模块对自平衡模拟球在自平衡模拟板顶面的位置图像进行二值化处理，得到二值化图像g(x,y)，所述二值化图像g(x,y)中，自平衡模拟球区域的标记为1，背景区域的标记为0；
步骤802、图像处理器调用边界提取模块对步骤801中得到的二值化图像g(x,y)进行边界提取，提取得到自平衡模拟球区域的边界；
步骤803、图像处理器将自平衡模拟球区域的边界曲线用H个点表示为P＝{p1,p2,…,pH}；其中，H的取值为大于100的正整数；
步骤804、图像处理器每次在H个点中随机抽取h个，共抽取M次，形成M组边界点数据；其中，h的取值为3～30的正整数，M的取值为10～50的正整数；
步骤805、图像处理器分别对M组边界点数据进行圆拟合，得到M个自平衡模拟球边界圆；且在每次进行拟合时，都以拟合得到的自平衡模拟球边界圆的半径长度为观测值，采用粗差探测法对自平衡模拟球边界像素坐标的圆拟合结果进行错误剔除，得到自平衡模拟球边界圆的圆心坐标和半径长度；
步骤806、图像处理器采用重心计算公式计算二值化图像g(x,y)中所述自平衡模拟球的重心坐标(Xo,Yo)；其中，Nb为二值化图像g(x,y)中非0的像素点的总数量，xm为第m个非0像素点的横坐标，ym为第m个非0像素点的纵坐标，g(xm,ym)为坐标为(xm,ym)的像素点对应的灰度值，m的取值为1～Nb的正整数；
步骤807、图像处理器分别计算步骤805中得到的M个自平衡模拟球边界圆的圆心坐标与步骤806中自平衡模拟球的重心坐标(Xo,Yo)之间的差值的绝对值，并将差值的绝对值最小的自平衡模拟球边界圆的圆心坐标确定为自平衡模拟球的中心坐标(xo,yo)。
上述的方法，其特征在于：步骤801中所述图像处理器调用二值化图像处理模块对自平衡模拟球在自平衡模拟板顶面的位置图像进行二值化处理，得到二值化图像的具体过程为：在YCbCr颜色空间下，将图像上满足公式的像素点判断为自平衡模拟球像素点，将图像上不满足公式的像素点判断为背景像素点；其中，Y(i,j)为Y通道上位置(i,j)处的像素值，Ymean为Y通道上的平均像素值，Cb(i,j)为Cb通道上位置(i,j)处的像素值，Cbmean为Cb通道上的平均像素值，Cr(i,j)为Cr通道上位置(i,j)处的像素值，Crmean为Cr通道上的平均像素值。
上述的方法，其特征在于：步骤802中所述图像处理器调用边界提取模块对步骤801中得到的二值化图像g(x,y)进行边界提取，提取得到自平衡模拟球区域的边界的方法为：对二值化图像g(x,y)中的每个像素逐一查找，判断像素的四领域中是否存在背景像素，当像素的四邻域中存在背景像素时，将当前像素确定为边界像素；当像素的四邻域中不存在背景像素时，将当前像素确定为非边界像素。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明机器人自平衡模拟实验系统的结构简单，采用X轴舵机和Y轴舵机，能够实现X轴和Y轴两个自由度上的运动模拟，设计新颖合理，实现方便且成本低。
2、本发明机器人自平衡模拟实验方法的方法步骤简单，实现方便。
3、本发明通过采用红色球作自平衡模拟球，采用白色磨砂亚克力板作自平衡模拟板，方便了在机器人自平衡模拟实验方法中图像处理器对图像进行处理，能够进行更加精确的实验。本发明根据自平衡模拟球采用红色球，自平衡模拟板采用白色磨砂亚克力板的特点，在YCbCr颜色空间下，根据各个通道像素值的特点对自平衡模拟球在自平衡模拟板顶面的位置图像进行二值化处理，实现方法简单，效率高，且能够获得精确的二值化结果。
4、本发明机器人自平衡模拟实验方法中，对二值化图像g(x,y)进行边界提取时，最多只需要比较四个像素，运算量小，提高了效率。
5、本发明机器人自平衡模拟实验方法中，在确定自平衡模拟球的中心坐标(xo,yo)时，采用了圆拟合和重心法相结合的方法，且在进行圆拟合时，先将自平衡模拟球区域的边界曲线用H个点表示，再抽取M次，形成M组边界点数据，进行M次拟合形成M个自平衡模拟球边界圆，最后根据自平衡模拟球边界圆的圆心坐标与自平衡模拟球的重心坐标Xo,Yo之间的差值的绝对值最小确定出自平衡模拟球的中心坐标(xo,yo)，能够得到精确的自平衡模拟球的中心坐标，有利于提高实验精度。
6、本发明能够用于机器人自平衡模拟实验，将在丰富学生实验环节的同时，还能够为机器人自平衡的研究提供很好的平台，为机器人自平衡稳定性的实现贡献力量。
7、本发明的实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明设计新颖合理，实现方便且成本低，能够用于机器人自平衡模拟实验，将在丰富学生实验环节的同时，还能够为机器人自平衡的研究提供很好的平台，为机器人自平衡稳定性的实现贡献力量，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明自平衡模拟试验台的结构示意图。
图2为本发明自平衡模拟控制系统的电路原理框图。
图3为本发明微控制器与图像处理器、晶振电路和复位电路的电路连接图。
图4为本发明X轴舵机的电路原理图。
图5为本发明Y轴舵机的电路原理图。
图6为本发明按键操作电路的电路原理图。
图7为本发明具体实施例中步骤501进行全局阈值分割处理得到的二值化图像f(x,y)。
图8为本发明具体实施例中步骤801得到的二值化图像g(x,y)。
图9为本发明具体实施例中查找边界像素的领域位置示意图。
附图标记说明:
1—支撑底板； 2—支撑架； 2-1—底部纵梁；
2-2—底部横梁； 2-3—第一斜梁； 2-4—第二斜梁；
2-5—顶部横梁； 3—自平衡模拟板支架； 4—自平衡模拟板；
4-1—自平衡模拟球平衡区域； 5—X轴舵机支架；
6—X轴舵机； 7—第一X轴传动杆； 8—第二X轴传动杆；
9—Y轴舵机支架； 10—Y轴舵机； 11—第一Y轴传动杆；
12—第二Y轴传动杆； 13—摄像头； 14—微控制器；
15—图像处理器； 16—自平衡模拟球； 17—按键操作电路。
具体实施方式
本发明的机器人自平衡模拟实验系统，包括自平衡模拟试验台和自平衡模拟控制系统，如图1所示，所述自平衡模拟试验台包括支撑底板1和固定连接在支撑底板1一侧的支撑架2，所述支撑底板1的顶部中间位置处固定连接有自平衡模拟板支架3，所述自平衡模拟板支架3的顶部放置有供自平衡模拟球16在其上滚动的自平衡模拟板4，所述支撑底板1的顶部位于自平衡模拟板支架3的一侧固定连接有X轴舵机支架5，所述X轴舵机支架5的顶部固定连接有X轴舵机6，所述X轴舵机6的输出轴上固定连接有第一X轴传动杆7，所述第一X轴传动杆7上铰接有端部固定连接在自平衡模拟板4底部一侧的第二X轴传动杆8，所述支撑底板1的顶部位于与固定X轴舵机支架5的位置之间的夹角为90°的位置处固定连接有Y轴舵机支架9，所述Y轴舵机支架9的顶部固定连接有Y轴舵机10，所述Y轴舵机10的输出轴上固定连接有第一Y轴传动杆11，所述第一Y轴传动杆11上铰接有端部固定连接在自平衡模拟板4底部的第二Y轴传动杆12，所述自平衡模拟板4底部固定第二Y轴传动杆12的一侧与固定第二X轴传动杆8的一侧相垂直，所述支撑架2的顶部悬挂设置有用于对自平衡模拟球16及自平衡模拟板4的图像进行拍摄的摄像头13；结合图2，所述自平衡模拟控制系统包括微控制器14和与微控制器14相接且用于对摄像头13拍摄到的图像进行处理的图像处理器15，所述微控制器14的输入端接有按键操作电路17，所述摄像头13的输出端与图像处理器15的输入端连接，所述X轴舵机6和Y轴舵机10均与微控制器14的输出端连接。
本发明采用X轴舵机6和Y轴舵机10，能够实现X轴和Y轴两个自由度上的运动模拟。
本实施例中，如图1所示，所述支撑架2包括固定连接在支撑底板1一侧的底部纵梁2-1和垂直设置在底部纵梁2-1一侧且与底部纵梁2-1固定连接的底部横梁2-2，所述底部横梁2-2的顶部固定连接有交叉设置的第一斜梁2-3和第二斜梁2-4，所述第一斜梁2-3和第二斜梁2-4的顶部固定连接有顶部横梁2-5，所述摄像头13悬挂设置在顶部横梁2-5的底部。
本实施例中，所述摄像头13为Openwrt挂载摄像头，所述图像处理器15为NanoPiM3开发板；所述微控制器14为单片机STM32F103ZET6，所述NanoPi M3开发板的串口与单片机STM32F103ZET6的串口连接。具体实施时，单片机STM32F103ZET6上接有晶振电路和复位电路，如图3所示，所述晶振电路包括晶振Y1、电容C2和电容C3，所述晶振Y1的一端和电容C2的一端均与单片机STM32F103ZET6的第5引脚连接，所述晶振Y1的另一端和电容C3的一端均与单片机STM32F103ZET6的第6引脚连接，所述电容C2的另一端和电容C3的另一端均接地；所述复位电路包括电阻R1、复位按键S1和电容C1，所述复位按键S1的一端和电容C1的一端均通过电阻R1与单片机STM32F103ZET6的第7引脚连接，所述复位按键S1的另一端和电容C1的另一端均接地。所述NanoPi M3开发板的第8引脚和第10引脚依次对应与单片机STM32F103ZET6的第31引脚和第30引脚连接。
本实施例中，所述X轴舵机6和Y轴舵机10均为MG996R舵机，所述X轴舵机6和Y轴舵机10的控制信号输入端口均与单片机STM32F103ZET6的I/O输出端口连接；所述按键操作电路17为4×4矩阵键盘。
具体实施时，如图3和图4所示，所述X轴舵机6的控制信号输入端口与单片机STM32F103ZET6的第29引脚连接，所述X轴舵机6的电源引脚与5V电源的输出端连接，所述X轴舵机6的接地引脚接地；如图3和图5所示，所述Y轴舵机10的控制信号输入端口与单片机STM32F103ZET6的第32引脚连接，所述Y轴舵机10的电源引脚与5V电源的输出端连接，所述Y轴舵机10的接地引脚接地。如图3和图6所示，所述4×4矩阵键盘的8个引脚依次对应与单片机STM32F103ZET6第45引脚、第46引脚、第21引脚、第22引脚、第25引脚、第26引脚、第27引脚和第28引脚连接。
本实施例中，所述自平衡模拟球16为红色球，所述自平衡模拟板4为白色磨砂亚克力板。通过采用红色球作自平衡模拟球16，采用白色磨砂亚克力板作自平衡模拟板4，方便了图像处理器15对图像进行处理，能够进行更加精确的实验。
本发明的机器人自平衡模拟实验方法，包括以下步骤：
步骤一、在自平衡模拟板4的顶面上用黑色线条划分N个自平衡模拟球平衡区域4-1，将划分出的N个自平衡模拟球平衡区域4-1编号为1号、2号、…、N号，并用黑色点标出每个自平衡模拟球平衡区域4-1的中心点；其中，N的取值为4～16的正整数；
本实施例中，N的取值为9；具体的区域划分情况如图1所示。
步骤二、以自平衡模拟板4位于X轴舵机6和Y轴舵机10之间的顶点为坐标原点，以自平衡模拟板4连接第二Y轴传动杆12的一侧为X轴，以自平衡模拟板4连接第二X轴传动杆8的一侧为Y轴，建立直角坐标系；
步骤三、用尺子测量得到每个自平衡模拟球平衡区域4-1的中心点在步骤二中建立的直角坐标系下的物方坐标；其中，第i个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标表示为(Xi,Yi)，i的取值为1～N的正整数；
步骤四、摄像头13拍摄自平衡模拟板4顶面图像并将拍摄到的图像输出给图像处理器15；
步骤五、图像处理器15对自平衡模拟板4顶面图像进行处理，得到每个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标与自平衡模拟板4顶面图像像素点坐标的对应关系表并输出给微控制器14进行存储；其中，与第i个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标(Xi,Yi)对应的自平衡模拟板4顶面图像像素点的坐标表示为(xi,yi)；
本实施例中，步骤五中所述图像处理器15对自平衡模拟板4顶面图像进行处理，得到每个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标与自平衡模拟板4顶面图像像素点坐标的对应关系表的具体过程为：
步骤501、图像处理器15根据公式对自平衡模拟板4顶面图像G(x,y)进行全局阈值分割处理，得到自平衡模拟板4顶面图像的二值化图像f(x,y)；其中，T为全局阈值分割处理的分割阈值，所述二值化图像f(x,y)中，自平衡模拟球平衡区域4-1的边界线和自平衡模拟球平衡区域4-1的中心点为黑色，背景区域为白色；本实施例中，T的取值为150；进行全局阈值分割处理得到的二值化图像f(x,y)如图7所示。
步骤502、在二值化图像f(x,y)中构建与步骤二中建立的直角坐标系位置相对应的直角坐标系，并计算出自平衡模拟板4顶面图像中各个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的像素点坐标；
步骤503、将自平衡模拟板4顶面图像中各个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的像素点坐标与每个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标相对应，得到每个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标与自平衡模拟板4顶面图像像素点坐标的对应关系表。
步骤六、将自平衡模拟球16放置在自平衡模拟板4的顶面上编号为j的自平衡模拟球平衡区域4-1中心点位置处后，操作按键操作电路17，输入自平衡模拟球16将要到达的自平衡模拟球平衡区域4-1的编号r，微控制器14接收自平衡模拟球平衡区域4-1的编号r，并根据每个自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标与自平衡模拟板4顶面图像像素点坐标的对应关系表，查找得到将要到达的自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标对应的自平衡模拟板4顶面图像像素点的坐标(xr,yr)；其中，j的取值和r的取值均为1～N的正整数且j≠r；
步骤七、摄像头13拍摄自平衡模拟球16在自平衡模拟板4顶面的位置图像并将拍摄到的图像输出给图像处理器15；
步骤八、图像处理器15对自平衡模拟球16在自平衡模拟板4顶面的位置图像进行处理，得到自平衡模拟球16的中心坐标(xo,yo)并输出给微控制器14，微控制器14将自平衡模拟球16的中心坐标(xo,yo)与将要到达的自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的物方坐标对应的自平衡模拟板4顶面图像像素点的坐标(xr,yr)进行比对，当(xo,yo)与(xr,yr)不相同时，微控制器14先比较xo与xr的差异，并根据xo与xr的差异，采用PID控制方法进行脉冲计数产生PWM信号控制X轴舵机6转动，X轴舵机6通过第一X轴传动杆7和第二X轴传动杆8带动自平衡模拟板4在X轴方向上运动，从而使自平衡模拟球16在自平衡模拟板4顶面上滚动，在X轴方向上向其将要到达的自平衡模拟球平衡区域4-1的中心点运动；微控制器14再比较yo与yr的差异，并根据yo与yr的差异，采用PID控制方法进行脉冲计数产生PWM信号控制Y轴舵机10转动，Y轴舵机10通过第一Y轴传动杆11和第二Y轴传动杆12带动自平衡模拟板4在Y轴方向上运动，从而使自平衡模拟球16在自平衡模拟板4顶面上滚动，在Y轴方向上向其将要到达的自平衡模拟球平衡区域4-1的中心点运动；直至(xo,yo)与(xr,yr)相同；当(xo,yo)与(xr,yr)相同时，微控制器14记录从自平衡模拟球16开始运动到(xo,yo)与(xr,yr)相同的时间，并将记录的时间t定义为自平衡模拟球16从编号为j的自平衡模拟球平衡区域4-1中心点到达编号为r的自平衡模拟球平衡区域4-1中心点的时间，模拟机器人从一个运动平衡位置到达另一个运动平衡位置的过程以及到达所需要的时间。
本实施例中，步骤八中所述图像处理器15对自平衡模拟球16在自平衡模拟板4顶面的位置图像进行处理，得到自平衡模拟球16的中心坐标(xo,yo)的具体过程为：
步骤801、图像处理器15调用二值化图像处理模块对自平衡模拟球16在自平衡模拟板4顶面的位置图像进行二值化处理，得到二值化图像g(x,y)，所述二值化图像g(x,y)中，自平衡模拟球16区域的标记为1，背景区域的标记为0；
本实施例中，步骤801中所述图像处理器15调用二值化图像处理模块对自平衡模拟球16在自平衡模拟板4顶面的位置图像进行二值化处理，得到二值化图像的具体过程为：在YCbCr颜色空间下，将图像上满足公式的像素点判断为自平衡模拟球16像素点，将图像上不满足公式的像素点判断为背景像素点；其中，Y(i,j)为Y通道上位置(i,j)处的像素值，Ymean为Y通道上的平均像素值，Cb(i,j)为Cb通道上位置(i,j)处的像素值，Cbmean为Cb通道上的平均像素值，Cr(i,j)为Cr通道上位置(i,j)处的像素值，Crmean为Cr通道上的平均像素值。
本实施例中，步骤801中得到的二值化图像g(x,y)如图8所示。
本发明根据自平衡模拟球16采用红色球，自平衡模拟板4采用白色磨砂亚克力板的特点，在YCbCr颜色空间下，根据各个通道像素值的特点对自平衡模拟球16在自平衡模拟板4顶面的位置图像进行二值化处理，实现方法简单，效率高，且能够获得精确的二值化结果。
步骤802、图像处理器15调用边界提取模块对步骤801中得到的二值化图像g(x,y)进行边界提取，提取得到自平衡模拟球16区域的边界；
本实施例中，步骤802中所述图像处理器15调用边界提取模块对步骤801中得到的二值化图像g(x,y)进行边界提取，提取得到自平衡模拟球16区域的边界的方法为：对二值化图像g(x,y)中的每个像素逐一查找，判断像素的四领域中是否存在背景像素，当像素的四邻域中存在背景像素时，将当前像素确定为边界像素；当像素的四邻域中不存在背景像素时，将当前像素确定为非边界像素。例如，如图9所示，P是待判定的像素，其四邻域位置分别记为P1、P2、P3和P4，当P1、P2、P3和P4上存在一个背景像素时，P是边界像素，否则，当P1、P2、P3和P4上不存在一个背景像素时，P不是边界像素。应用该边界提取方法提取边界像素，最多只需要比较四个像素，运算量小，提高了效率。
步骤803、图像处理器15将自平衡模拟球16区域的边界曲线用H个点表示为P＝{p1,p2,…,pH}；其中，H的取值为大于100的正整数；
步骤804、图像处理器15每次在H个点中随机抽取h个，共抽取M次，形成M组边界点数据；其中，h的取值为3～30的正整数，M的取值为10～50的正整数；
步骤805、图像处理器15分别对M组边界点数据进行圆拟合，得到M个自平衡模拟球16边界圆；且在每次进行拟合时，都以拟合得到的自平衡模拟球16边界圆的半径长度为观测值，采用粗差探测法对自平衡模拟球16边界像素坐标的圆拟合结果进行错误剔除，得到自平衡模拟球16边界圆的圆心坐标和半径长度；
步骤806、图像处理器15采用重心计算公式计算二值化图像g(x,y)中所述自平衡模拟球16的重心坐标Xo,Yo；其中，Nb为二值化图像g(x,y)中非0的像素点的总数量，xm为第m个非0像素点的横坐标，ym为第m个非0像素点的纵坐标，g(xm,ym)为坐标为xm,ym的像素点对应的灰度值，m的取值为1～Nb的正整数；
步骤807、图像处理器15分别计算步骤805中得到的M个自平衡模拟球16边界圆的圆心坐标与步骤806中自平衡模拟球16的重心坐标(Xo,Yo)之间的差值的绝对值，并将差值的绝对值最小的自平衡模拟球16边界圆的圆心坐标确定为自平衡模拟球16的中心坐标(xo,yo)。
本发明在确定自平衡模拟球16的中心坐标(xo,yo)时，采用了圆拟合和重心法相结合的方法，且在进行圆拟合时，先将自平衡模拟球16区域的边界曲线用H个点表示，再抽取M次，形成M组边界点数据，进行M次拟合形成M个自平衡模拟球16边界圆，最后根据自平衡模拟球16边界圆的圆心坐标与自平衡模拟球16的重心坐标(Xo,Yo/)之间的差值的绝对值最小确定出自平衡模拟球16的中心坐标(xo,yo)，能够得到精确的自平衡模拟球16的中心坐标，有利于提高实验精度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：包括自平衡模拟试验台和自平衡模拟控制系统，所述自平衡模拟试验台包括支撑底板(1)和固定连接在支撑底板(1)一侧的支撑架(2)，所述支撑底板(1)的顶部中间位置处固定连接有自平衡模拟板支架(3)，所述自平衡模拟板支架(3)的顶部放置有供自平衡模拟球(16)在其上滚动的自平衡模拟板(4)，所述支撑底板(1)的顶部位于自平衡模拟板支架(3)的一侧固定连接有X轴舵机支架(5)，所述X轴舵机支架(5)的顶部固定连接有X轴舵机(6)，所述X轴舵机(6)的输出轴上固定连接有第一X轴传动杆(7)，所述第一X轴传动杆(7)上铰接有端部固定连接在自平衡模拟板(4)底部一侧的第二X轴传动杆(8)，所述支撑底板(1)的顶部位于与固定X轴舵机支架(5)的位置之间的夹角为90°的位置处固定连接有Y轴舵机支架(9)，所述Y轴舵机支架(9)的顶部固定连接有Y轴舵机(10)，所述Y轴舵机(10)的输出轴上固定连接有第一Y轴传动杆(11)，所述第一Y轴传动杆(11)上铰接有端部固定连接在自平衡模拟板(4)底部的第二Y轴传动杆(12)，所述自平衡模拟板(4)底部固定第二Y轴传动杆(12)的一侧与固定第二X轴传动杆(8)的一侧相垂直，所述支撑架(2)的顶部悬挂设置有用于对自平衡模拟球(16)及自平衡模拟板(4)的图像进行拍摄的摄像头(13)；所述自平衡模拟控制系统包括微控制器(14)和与微控制器(14)相接且用于对摄像头(13)拍摄到的图像进行处理的图像处理器(15)，所述微控制器(14)的输入端接有按键操作电路(17)，所述摄像头(13)的输出端与图像处理器(15)的输入端连接，所述X轴舵机(6)和Y轴舵机(10)均与微控制器(14)的输出端连接。
2.按照权利要求1所述的机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：所述支撑架(2)包括固定连接在支撑底板(1)一侧的底部纵梁(2-1)和垂直设置在底部纵梁(2-1)一侧且与底部纵梁(2-1)固定连接的底部横梁(2-2)，所述底部横梁(2-2)的顶部固定连接有交叉设置的第一斜梁(2-3)和第二斜梁(2-4)，所述第一斜梁(2-3)和第二斜梁(2-4)的顶部固定连接有顶部横梁(2-5)，所述摄像头(13)悬挂设置在顶部横梁(2-5)的底部。
3.按照权利要求1所述的机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：所述摄像头(13)为Openwrt挂载摄像头，所述图像处理器(15)为NanoPi M3开发板；所述微控制器(14)为单片机STM32F103ZET6，所述NanoPi M3开发板的串口与单片机STM32F103ZET6的串口连接。
4.按照权利要求3所述的机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：所述X轴舵机(6)和Y轴舵机(10)均为MG996R舵机，所述X轴舵机(6)和Y轴舵机(10)的控制信号输入端口均与单片机STM32F103ZET6的I/O输出端口连接；所述按键操作电路(17)为4×4矩阵键盘。
5.按照权利要求1所述的机器人自平衡模拟实验系统，其特征在于：所述自平衡模拟球(16)为红色球，所述自平衡模拟板(4)为白色磨砂亚克力板。
6.一种利用如权利要求5所述实验系统进行机器人自平衡模拟实验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、在自平衡模拟板(4)的顶面上用黑色线条划分N个自平衡模拟球平衡区域(4-1)，将划分出的N个自平衡模拟球平衡区域(4-1)编号为1号、2号、…、N号，并用黑色点标出每个自平衡模拟球平衡区域(4-1)的中心点；其中，N的取值为4～16的正整数；
步骤二、以自平衡模拟板(4)位于X轴舵机(6)和Y轴舵机(10)之间的顶点为坐标原点，以自平衡模拟板(4)连接第二Y轴传动杆(12)的一侧为X轴，以自平衡模拟板(4)连接第二X轴传动杆(8)的一侧为Y轴，建立直角坐标系；
步骤三、用尺子测量得到每个自平衡模拟球平衡区域(4-1)的中心点在步骤二中建立的直角坐标系下的物方坐标；其中，第i个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标表示为(Xi,Yi)，i的取值为1～N的正整数；
步骤四、摄像头(13)拍摄自平衡模拟板(4)顶面图像并将拍摄到的图像输出给图像处理器(15)；
步骤五、图像处理器(15)对自平衡模拟板(4)顶面图像进行处理，得到每个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标与自平衡模拟板(4)顶面图像像素点坐标的对应关系表并输出给微控制器(14)进行存储；其中，与第i个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标(Xi,Yi)对应的自平衡模拟板(4)顶面图像像素点的坐标表示为(xi,yi)；
步骤六、将自平衡模拟球(16)放置在自平衡模拟板(4)的顶面上编号为j的自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点位置处后，操作按键操作电路(17)，输入自平衡模拟球(16)将要到达的自平衡模拟球平衡区域(4-1)的编号r，微控制器(14)接收自平衡模拟球平衡区域(4-1)的编号r，并根据每个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标与自平衡模拟板(4)顶面图像像素点坐标的对应关系表，查找得到将要到达的自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标对应的自平衡模拟板(4)顶面图像像素点的坐标(xr,yr)；其中，j的取值和r的取值均为1～N的正整数且j≠r；
步骤七、摄像头(13)拍摄自平衡模拟球(16)在自平衡模拟板(4)顶面的位置图像并将拍摄到的图像输出给图像处理器(15)；
步骤八、图像处理器(15)对自平衡模拟球(16)在自平衡模拟板(4)顶面的位置图像进行处理，得到自平衡模拟球(16)的中心坐标(xo,yo)并输出给微控制器(14)，微控制器(14)将自平衡模拟球(16)的中心坐标(xo,yo)与将要到达的自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标对应的自平衡模拟板(4)顶面图像像素点的坐标(xr,yr)进行比对，当(xo,yo)与(xr,yr)不相同时，微控制器(14)先比较xo与xr的差异，并根据xo与xr的差异，采用PID控制方法进行脉冲计数产生PWM信号控制X轴舵机(6)转动，X轴舵机(6)通过第一X轴传动杆(7)和第二X轴传动杆(8)带动自平衡模拟板(4)在X轴方向上运动，从而使自平衡模拟球(16)在自平衡模拟板(4)顶面上滚动，在X轴方向上向其将要到达的自平衡模拟球平衡区域(4-1)的中心点运动；微控制器(14)再比较yo与yr的差异，并根据yo与yr的差异，采用PID控制方法进行脉冲计数产生PWM信号控制Y轴舵机(10)转动，Y轴舵机(10)通过第一Y轴传动杆(11)和第二Y轴传动杆(12)带动自平衡模拟板(4)在Y轴方向上运动，从而使自平衡模拟球(16)在自平衡模拟板(4)顶面上滚动，在Y轴方向上向其将要到达的自平衡模拟球平衡区域(4-1)的中心点运动；直至(xo,yo)与(xr,yr)相同；当(xo,yo)与(xr,yr)相同时，微控制器(14)记录从自平衡模拟球(16)开始运动到(xo,yo)与(xr,yr)相同的时间，并将记录的时间t定义为自平衡模拟球(16)从编号为j的自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点到达编号为r的自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的时间，模拟机器人从一个运动平衡位置到达另一个运动平衡位置的过程以及到达所需要的时间。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤五中所述图像处理器(15)对自平衡模拟板(4)顶面图像进行处理，得到每个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标与自平衡模拟板(4)顶面图像像素点坐标的对应关系表的具体过程为：
步骤501、图像处理器(15)根据公式对自平衡模拟板(4)顶面图像G(x,y)进行全局阈值分割处理，得到自平衡模拟板(4)顶面图像的二值化图像f(x,y)；其中，T为全局阈值分割处理的分割阈值，所述二值化图像f(x,y)中，自平衡模拟球平衡区域(4-1)的边界线和自平衡模拟球平衡区域(4-1)的中心点为黑色，背景区域为白色；
步骤502、在二值化图像f(x,y)中构建与步骤二中建立的直角坐标系位置相对应的直角坐标系，并计算出自平衡模拟板(4)顶面图像中各个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的像素点坐标；
步骤503、将自平衡模拟板(4)顶面图像中各个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的像素点坐标与每个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标相对应，得到每个自平衡模拟球平衡区域(4-1)中心点的物方坐标与自平衡模拟板(4)顶面图像像素点坐标的对应关系表。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于：步骤八中所述图像处理器(15)对自平衡模拟球(16)在自平衡模拟板(4)顶面的位置图像进行处理，得到自平衡模拟球(16)的中心坐标(xo,yo)的具体过程为：
步骤801、图像处理器(15)调用二值化图像处理模块对自平衡模拟球(16)在自平衡模拟板(4)顶面的位置图像进行二值化处理，得到二值化图像g(x,y)，所述二值化图像g(x,y)中，自平衡模拟球(16)区域的标记为1，背景区域的标记为0；
步骤802、图像处理器(15)调用边界提取模块对步骤801中得到的二值化图像g(x,y)进行边界提取，提取得到自平衡模拟球(16)区域的边界；
步骤803、图像处理器(15)将自平衡模拟球(16)区域的边界曲线用H个点表示为P＝{p1,p2,…,pH}；其中，H的取值为大于100的正整数；
步骤804、图像处理器(15)每次在H个点中随机抽取h个，共抽取M次，形成M组边界点数据；其中，h的取值为3～30的正整数，M的取值为10～50的正整数；
步骤805、图像处理器(15)分别对M组边界点数据进行圆拟合，得到M个自平衡模拟球(16)边界圆；且在每次进行拟合时，都以拟合得到的自平衡模拟球(16)边界圆的半径长度为观测值，采用粗差探测法对自平衡模拟球(16)边界像素坐标的圆拟合结果进行错误剔除，得到自平衡模拟球(16)边界圆的圆心坐标和半径长度；
步骤806、图像处理器(15)采用重心计算公式计算二值化图像g(x,y)中所述自平衡模拟球(16)的重心坐标(Xo,Yo)；其中，Nb为二值化图像g(x,y)中非0的像素点的总数量，xm为第m个非0像素点的横坐标，ym为第m个非0像素点的纵坐标，g(xm,ym)为坐标为(xm,ym)的像素点对应的灰度值，m的取值为1～Nb的正整数；
步骤807、图像处理器(15)分别计算步骤805中得到的M个自平衡模拟球(16)边界圆的圆心坐标与步骤806中自平衡模拟球(16)的重心坐标(Xo,Yo)之间的差值的绝对值，并将差值的绝对值最小的自平衡模拟球(16)边界圆的圆心坐标确定为自平衡模拟球(16)的中心坐标(xo,yo)。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤801中所述图像处理器(15)调用二值化图像处理模块对自平衡模拟球(16)在自平衡模拟板(4)顶面的位置图像进行二值化处理，得到二值化图像的具体过程为：在YCbCr颜色空间下，将图像上满足公式的像素点判断为自平衡模拟球(16)像素点，将图像上不满足公式的像素点判断为背景像素点；其中，Y(i,j)为Y通道上位置(i,j)处的像素值，Ymean为Y通道上的平均像素值，Cb(i,j)为Cb通道上位置(i,j)处的像素值，Cbmean为Cb通道上的平均像素值，Cr(i,j)为Cr通道上位置(i,j)处的像素值，Crmean为Cr通道上的平均像素值。
10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤802中所述图像处理器(15)调用边界提取模块对步骤801中得到的二值化图像g(x,y)进行边界提取，提取得到自平衡模拟球(16)区域的边界的方法为：对二值化图像g(x,y)中的每个像素逐一查找，判断像素的四领域中是否存在背景像素，当像素的四邻域中存在背景像素时，将当前像素确定为边界像素；当像素的四邻域中不存在背景像素时，将当前像素确定为非边界像素。
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