摘 要娱乐机器人的发展日新月异,乒乓球机器人是一种典型的娱乐机器人。作为乒乓球运动的大国,中国在乒乓球运动的世界里获得了很多荣誉的,但是在乒乓球机器人方面还是相对落后的,需要有更大的投入来缩短差距。本课题提出一种打乒乓球机器人系统。该系统以图像处理为核心，通过摄像头采集图像信号，然后利用上位机程序对图像信号进行处理。乒乓球坐标识别主要是利用运动物体的运动特性、亮度和颜色等特征进行分割提取,并附加滤波器去除噪声。当采集到多个球坐标后开始计算球运动轨迹和运动速度,然后将计算结果发送给单片机，单片机根据接收到的位置数据来驱动步进电机，步进电机通过同步带使球拍运动到击球点，从而实现整个击球动作。上位机能够实时显示球桌图像、球位置图像和球轨迹图像，并且可以通过设置来更改球面积阈值、采集间隔时间和采集次数等参数。经过调试，运行稳定，各模块相互配合，实现了简单的击球动作，能够为简单击球训练提供很好的帮助。
目 录
1.绪论 1
1.1研究背景与意义 1
1.2现状分析 1
1.3论文章节安排 2
1.4本章小结 3
2.乒乓球机器人的系统方案设计 4
2.1乒乓球机器人功能介绍 4
2.2乒乓球机器人体系结构与设计框图 4
2.3控制器的方案设计 4
2.4接球装置运动方案设计 5
2.5步进电机的选型 5
2.6系统供电方案设计 6
2.7 图像采集方案设计 6
2.8上位机方案设计 7
2.9本章小结 7
3.乒乓球机器人的硬件设计 8
3.1机械结构设计 8
3.2控制器的电路设计 8
3.2.1主控制器的接口分配 8
3.2.2最小系统设计 9
3.3系统电源的设计 10
3.3.1 24V供电电路 10
3.3.2 3.3V供电电路 10
3.4电机驱动电路设计 10
3.5 USB下载和通信电路 11
3.6本章小结 12
4.乒乓球机器人的软件设计 13
4.1下位
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机系统程序设计 13
4.1.1 系统时钟设置程序 13
4.1.2 步进电机驱动程序设计 13
4.1.3 下位机串口接收程序设计 14
4.2 上位机程序设计 15
4.2.1上位机界面设计 15
4.2.2上位机串口设计 15
4.2.3上位机参数更新程序设计 16
4.3球坐标检测程序设计 17
4.3.1颜色空间的转换 17
4.3.2边缘检测 17
4.3.3轮廓提取 18
4.3.4形状匹配 19
4.4球轨迹计算和球速计算程序设计 20
4.5坐标修正程序 20
4.6本章小结 22
5.乒乓球机器人的调试 23
5.1乒乓球机器人实物图 23
5.2上位机界面测试 23
5.3球坐标检测程序测试 24
5.4电机运动控制与串口通信程序测试 25
6.总结 26
参考文献 27
附录 28
附录一 总体硬件原理 28
附录二 系统程序 29
致谢 34
1.绪论
打乒乓球机器人系统是一种具有很高实时性要求的系统，其涉及的高速运动物体识别、图像处理、快速轨迹预测以及精准控制算法有着广泛的研究价值。
1.1研究背景与意义
目前在工业上，灵活的操作机器手作业的很少，机器手大多根据固定的程序，做固定的动作，完成固定作业，有一些具备图像处理技术的智能机器人，但是以视频技术为基础，仅适用于缓慢运动的物体。近几年，电脑硬件性能越来越高，高速的图像处理逐渐不受硬件限制，机器视觉也在高速发展。在轮廓分析、目标识别、立体视觉和运动跟踪等各方面有很大需求[1]。
本文以乒乓球机器人作为研究对象，研究高速运动目标的视觉跟踪和目标轨迹预测。要顺利打乒乓球，必须得解决以下问题：实时获取乒乓球飞行的图像，准确计算出乒乓球飞行的三维坐标、并记录该时刻，提前预测乒乓球的飞行轨迹，预留出机器人运动的时间，让机器人提前移动到击球点，按计算时间进行击球。
以上待解决的问题，都是当前机器视觉的瓶颈，首先是获取飞行中的乒乓球准确的三维坐标，需要使用摄像机进行图像的采集，获取到当前时刻下乒乓球在相机下的图像，然后定位乒乓球的算法需要高效，再是提前预测到乒乓球的飞行轨迹，在第二点获取到准确的乒乓球的三维信息和时间信息的前提下，拟合出乒乓球的飞行轨迹，计算出乒乓球落到球桌面的位置。在工业领域、安防领域、军事领域中特征点的三维计算和运动目标跟踪以及轨迹预测都是当前机器视觉业界的瓶颈，因此以机器人打乒乓球作为研究背景，其研究意义重大。
1.2现状分析
1983 年英国设计出一款能进行对打的乒乓球机器人，虽然该机器人能与人进行对打，能该款机器人存在多个限制，并且与国际的乒乓球赛的规定大有不同、规定了球桌的尺寸为 2m*0.5m，改规定的尺寸与国际标准的乒乓球桌的尺寸相差甚大，宽度相当于国际标准的三分之一，而长度与国际标准的相比小了 74cm，而且人击打的乒乓球必须要同时穿过三个检测的金属框，才能够检测到球的飞行路径，而且人回球的时候，球拍只能在自己面前的金属框前进行移动拦截[2]。
日本Jaydeep的等人开发出了基于双目视觉的四自由度乒乓球机器人。该系统可以分为三个部分机械系统、控制系统和视觉系统。机械系统该机器人的四个自由度,两个是水平直线运动,另外两个决定拍子的姿势,控制拍子的姿势的两个电机在拍子附近,而控制拍子位置的两个电机带动皮带使执行机构做直线运动。视觉系统双摄像头使用三维实时运动分析系统识别乒乓球的三维位置。
国内外在计算机视觉上的研究工作已取得了大量成果。在国内，北京理工大学、山东大学等学府着重于仿生机器人的快速视觉跟踪技术的研究，比如：与人共融的家庭服务机器人定位与导航。上海交通大学在机器人领域也有着深厚的研究基础。这些学校长期从事机器人的研究，在视觉领域有着较深积累，但每个学校注重方向与领域不同，根据不同的机器人定位相关算法设计也不同，针对本文的移动机器人并不是很实用，特别是移动速度快、背景复杂多变问题。因此，需要进一步研究针对移动机器人的识别跟踪算法。
目前计算机视觉有一下这些困难存在：
（1）图像多义性：在三维场景被投影为二维图像时,信息的深度和不可见部分将会丢失,因而会出现许多不同形状的三维物体在投影到二维图像平面上时会产生相同图像的问题,另外,在不同角度获取的同一物体的图像时会有很大的差异;

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