CMUcam5 Pixy视觉相机传感器简介第二部分—创建球平衡梁

这篇文章来源于DevicePlus.com英语网站的翻译稿。

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这是CMUcam5 Pixy简介的第二部分。如果您对PixyMon不太熟悉，请先回顾 CMUcam5 Pixy视觉相机传感器简介。在第一部分中，我介绍了Pixy的基础知识，解释了hello_world代码，并创建了一个简单的伺服驱动的应用程序。在本教程中，我将进一步探索Pixy的应用，创建一个球平衡梁。通过一个伺服来设置平衡梁的角度，使球停留在中间，当然，Pixy相机传感器会对球进行追踪。

硬件

Arduino Uno (您可以使用任何 Arduino)

CMUcam5 Pixy 相机

伺服电机 (S06NF)

木片和螺丝

数据线（用于相机USB MINI 以及Uno USB B）

用于伺服的5V外部电源（！警告！如果您将伺服连接到Arduino通过USB进行供电，您的Arduino将会被烧坏）

软件

Arduino IDE 1.6.9

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

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

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

Processing的简单介绍

Processing是非常有用又灵活的一款软件。它主要用于视觉艺术和科技领域的视觉语言。这款软件具有100多个库，可支持各种项目。它的文档非常齐全，提供了许多使用指南，涵盖了从编程基础到可视化等各种主题。它能够支持所有操作系统（GNU/Linux, Mac OS X, 和 Windows）。该软件的设计几乎和Arduino IDE相同。

今天，我们将使用Processing，通过串行通信实现与Arduino之间的通信。

图1：Processing界面

项目概况

在此项目中，我将制作一个球平衡梁，一个用木头制成的“通道”将会像一杆秤那样使球保持平衡（图2）。平衡梁44cm宽，3cm高。我把它制造的像通道一样狭窄，使我们所追踪的球不会掉落出去。

我使用S06NF伺服电机来移动整个平衡梁，该电机由Arduino进行控制。之后我们会看一下在本教程后面部分的代码。现在，我已经将伺服放置在了距离平衡梁左端¼的位置。

图2：S06NF STD 伺服电机/ ©RobotShop inc.

伺服将上下移动平衡梁，同时，球也会沿着该路径移动。

图3：平衡梁上下移动

数码相机将会放置在平衡梁上。我将相机的视野范围设置为仅限于平衡梁。这样，相机就会只追踪球，不追踪任何其他物体了。

平衡梁结构

首先，我们需要一些用于构建平衡梁的材料。我将要使用的是一种简单的XXMM木材（20cm x 27cm）。我用圆锯来切割木材，但是您可以使用现有的任何类型的锯来完成切割，只要能够保障切割面平整、均匀即可。

图4：XXMM木材

请记住，只有使用正确的工具才能够制造出完美的平衡梁！我使用的是一把锤子、一把直尺、钉子、砂纸、热胶、一个钻头和一把锯子。

图5：工具

首先，我将制造一个通道，使球能够在其中左右移动。通道的侧面由四块木板组成（每个21cm x 3cm）。通道在高度方向的两端将由两块木板（4cm x 3cm）封接。底座的尺寸是42cm x 3cm x 1cm。

我使用15mm大帽钉来连接零部件。

图6：封闭通道

在通道中间建立倾斜点有很多种方法。我使用了一种非常简单的方法，因为成本最低且最容易实现。我用了一个长钉子，两个像轴承一样的小管子，先标记了通道的中心点，然后将这些小轴承热粘合到该中心点，再插入钉子。

图7：用于构建倾斜点的钉子和管子

为了设置倾斜点，我们还需要为钉子制作支架。我用了两块8cm x 2cm的木板，如图8所示。我还制作了一个小平台，可以将所有东西放置在一起，尺寸为12cm x 4.5cm。

图8：倾斜点支架

我使用了一小块木材来安装伺服并将其架起。

图9：安装在木板上的伺服

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连接器的Arduino来连接到Pixy相机。

连接所有部件

一旦构建完成，下一步就是将Pixy相机连接到Arduino，然后再连接到伺服。原理图与 CMUcam5 Pixy视觉相机传感器简介中的相同。我仍然使用外部5V电源为伺服供电。

！警告！不要忘记连接接地端。如果没有将电源、伺服和Arduino接地端相连接，伺服将会失控！

图10：接线图

接下来，我需要在平衡梁结构上方的某个位置设置Pixy，以便它可以随时检测到球的位置。调整设置使其仅可以对球进行检测。请参考第一部分进行设置。

图11：Pixy视觉

现在，让我们来看一些代码。为了检测伺服是否工作正常，我修改了中间、最右边和最左边的角度，使其适合于我的结构。

#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(){

}

当然，您可以根据自己的喜好来调整变量。

之前，我介绍了一个名叫Processing的软件。我将使用它通过串行通信来实现与Arduino的通信。

Arduino 代码

简单的串行通信:

#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 代码

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
  }  
}

改代码创建了一个200×200像素的窗口并初始化串行端口。draw()空函数用于检查是否在窗口上按下了鼠标（如果按下写入1，没有按下则写入0）。

现在，我们来测试代码。点击运行，然后尝试点击窗口中任意位置，这时您的LED灯应发生闪烁，这就表示着一切工作正常！

图12：Processing 和 Arduino代码的基本测试

使用Processing编程

我获取了伺服的相关值，并在Processing中对其进行了处理，所以产生了一个类似于下图所示的图片。

图13：示例图片

请用以下代码创建图像：

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 代码:

#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");
    	}
  	}
	}
  } 
 
}

代码释义

我将x的位置从Pixy转换为0-100%，并由此了解球的具体位置。通过获取球的位置，我可以调整伺服转速。如果球的位置<=10%，伺服会转得更快来维持平衡；如果在~40%附近，伺服会以很低的转速来维持平衡。想要一直保持平衡是比较棘手的，我们可以改进算法以使其更加精确。

以下是一些有益于提升的建议：

• 尝试多种算法
• 有多种类型的数学算法可以进行计算。我至少尝试了两到三种，但是最后决定选择该算法。我建议您自己来编写算法，以更好地掌握这种平衡的方法。

• 更好的硬件
• 对于本项目来说，没有什么材料可称得上是完美的，木材就更差得远了。如果我拥有及时可用的资源，那我会选择用金属来建造它，这样整个项目将会更加稳定和精确。

• 变得更快
• 我们如何做到使其更快地恢复平衡？我在这里使用了一个简单的伺服。我们可以将其替换为UART或者AX-12之类的伺服，它们会强大、快速得多。速度也与算法有关。同样，我建议您尝试不同的算法，以找到适用于您的目的的算法。

有许多项目使用类似的概念来对平衡某物体。除了Pixy，您还可以将OpenCV与任何网络相机一起使用来检测目标和颜色。除了Processing，还有Max/MSP版本5。您可以使用距离传感器、压力传感器等。因此，有多种方式可以帮助您对该项目进行提升，使其更加坚固、稳定和更快。

审核编辑黄宇