桌上冰球机器人 opencv3 + arduino mega2560

去年暑假的时候偶然在网上看到有人做的冰球机器人，感觉比较有趣，用来做人机对战再合适不过。其中国内有些公司做的人机对战桌上冰球机器人，相关内容大多是新闻几句话带过，资料几乎没有。国外也有人做过冰球机器人，在youtube上可以搜到很多相关视频，开源的资料不算太多，主要参考了国外大神JJulio的项目。

GitHub - JJulio/AHRobot: Air Hockey Robot Project https://github.com/JJulio/AHRobot

国外大神视频点击这里：
还能这样玩：将 3D 打印机改造成桌上冰球机器人

自己制作的视频点击这里：
冰球机器人整体
冰球机器人摄像头处理画面

本想自己做个球桌，但是太麻烦，直接某宝买了一个，长这个样子，比较小。接下来就是将所有机械部分组装上去。

用solidworks画出整体效果，类似于写字机。用光轴、直线轴承、同步轮、同步带、惰轮搭出一个xy运动平面，设计一些打印件作为连接件，使用步进电机控制冰球击球器做一个平面运动。

第一次使用的是h-bot结构，这种结构简单省材料，但做出来才发现在高速运动下由于xy轴是联动的，x轴做的越长扭矩误差越大，击球器在x轴速度一旦快的话直接会卡住。无奈改成了这种结构，xy轴是分开控制的，x轴单独一个电机控制，y轴左右两边各一个电机，两个电机运动完全同步，这样速度相对于h-bot结构比较快。

下位机控制采用的arduino maga2560+ramps 1.4扩展板，和diy 3d打印机常用的主控一样。

下位机arduino代码使用的vs2013编译，arduino官方ide实在是太难用。visual studio安装一个arduino插件后也可以编译下载arduino代码。下位机功能类似于grbl固件，控制击球器点对点移动。与grbl不同的是，使用grbl固件时，向下位机发送A点坐标，电机向A点运动，运动期间再发送B点坐标，电机要到达A点之后才会向B点运动。但冰球机器人运动轨迹是上位机来预测的，终点在不断变化，如果还按照grbl固件来的话会走很多多余路线，多走也就意味着电机速度必须更快才能及时处理，电机更容易丢步。因此冰球机器人是接收到新的坐标便放弃上次坐标，向新的坐标运动。比如在向A点移动过程中发送B点坐标，则电机放弃A点立即向B点移动。

上位机使用的是vs2013+opencv3.3.0，opencv是个开源的视觉处理库，很多图像处理函数可以直接拿来用，用来处理球桌画面，捕捉冰球和机器人节省很多开发时间。可以百度一下如何搭建opencv环境，找到对应版本的vs和opencv，搭建成功之后才可以修改编译代码，如果只是运行exe文件不修改代码的话可以不搭建（exe文件稍后上传）。

图像处理的策略是：通过hsv颜色阈值在画面中寻找到冰球和打击器坐标，通过帧差判断出冰球的运动速度和方向，当冰球朝着机器人运动时根据冰球的轨迹预测撞击点坐标（其中包括有反弹和无反弹的情况），将预测的终点坐标发送给下位机，下位机运动到终点视具体情况进行防御或主动进攻。

以下为主要代码段：

int main()
{
	if (configRead())//读取配置文件。配置文件为一个config.txt文档，不必搭建opencv环境也可以修改参数。包含串口号，摄像头号，冰球和机器人颜色阈值等
		return -1;

	VideoCapture capture(camera_cap);//打开摄像头
	serialPortInit(serial_port);//打开串口

	cout << "open the camera:" << camera_cap << endl;
	cout << "open the serial port:" << serial_port << endl;

	capture.set(CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH, RESOLUTION_X);//设置分辨率x
	capture.set(CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, RESOLUTION_Y);//设置分辨率y
	capture.set(CV_CAP_PROP_FPS, FPS);//设定帧率，好像没什么用

	namedWindow("冰球机器人", 1);//创建大小不可改变的串口，名称为"AIR HOCKEY"

	firstTime = (double)cv::getTickCount();//记录首次时间
	//记录首次时间
	while (true)
	{
		realTime = ((double)cv::getTickCount() - firstTime) / cv::getTickFrequency();//计算开机时间
		run_counter++;//记录循环次数

		capture >> frame;//获取一帧图像
		GaussianBlur(frame, imgHSV, Size(5, 5), 0, 0);//高斯滤波
		//medianBlur(imgHSV, imgHSV, 7);//中值滤波，未加入，速度太慢
		cvtColor(imgHSV, imgHSV, CV_BGR2HSV);//RGB格式转HSV格式，减少光线干扰

		inRange(imgHSV, Scalar(minH, minS, minV), Scalar(maxH, maxS, maxV), imgThresh);//冰球HSV阈值
		inRange(imgHSV, Scalar(RminH, RminS, RminV), Scalar(RmaxH, RmaxS, RmaxV), imgThresh2);//机器人HSV阈值

		//应用过滤膨胀操作进行滤波，未加入

		trackObjectPuck();//寻找冰球
		trackObjectRobot();//寻找机器人

		cameraProcess(33.33);//预测冰球轨迹

		newDataStrategy();//给机器人一个策略

		//printf("%.2f: %d,%d\n", realTime, puckCoordX,puckCoordY);
		sendMessage();//串口发送数据
		//cout << coordResult << endl;//控制台输出坐标，调试使用
		//COUT <<CORRNJJA
		/*******************************************计算帧率**********************************************/
		if (run_counter % 10 == 0)//十次刷新一次，帧率太快看不清
		{
			fpsString = "FPS:";
			//t = ((double)cv::getTickCount() - realTime_old) / cv::getTickFrequency();//计算完成以上操作耗费的时间
			fps = 1.0 * 10 / (realTime - realTime_old);//fps

			realTime_old = realTime;

			std::sprintf(str, "%.2f", fps);      // 帧率保留两位小数
			fpsString += str;                    // 在"FPS:"后加入帧率数值字符串
		}
		cv::putText(frame, fpsString, cv::Point(5, 20), cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, cv::Scalar(255, 255, 0));//将fps值打印在图像上
		/*************************************************************************************************/

		cv::imshow("冰球机器人", frame);//显示摄像头画面

		int c = cv::waitKey(1);
		if ((char)c == 27)//按下“ESC”键退出
			break;
	}
	return 0;
}

以下是百度网盘链接：

三维图
提取码：gcm9

冰球机器人opencv3上位机
提取码：4ayw

冰球机器人 maga2560下位机
提取码：2hr2