圖像識別下的智能對弈機器人設(shè)計實現(xiàn)范文

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摘要：本文設(shè)計的是一款基于OpenCV圖像識別的智能對弈機器人，我們利用上位的樹莓派進行圖像識別，通過串口控制下位的MK60單片機進行運動控制。采用機器學(xué)習(xí)KNN算法，通過攝像頭完成線條、幾何圖形的識別。采用Alpha-Beta剪枝搜索算法計算AI落子位置，控制機械臂用電磁鐵吸取棋子放到指定位置。經(jīng)多次測試，該系統(tǒng)已具備較高的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】OpenCV；圖像識別；對弈；樹莓派；單片機

機器人技術(shù)是備受當(dāng)今世界關(guān)注的前沿課題。近年來，機器人技術(shù)取得了巨大發(fā)展，已經(jīng)對許多國家的國民經(jīng)濟和人民生活產(chǎn)生了重大影響。很多青少年都有做事精神不集中的問題，而老年人也有記憶力衰退，老年癡呆等問題。而下棋不僅可以提高他們的專注力，在觀察對手狀態(tài)的時候，也能提高記憶力、創(chuàng)造力和邏輯思維能力。因此，本文設(shè)計了一個關(guān)于井字棋的基于圖像識別的智能對弈機器人。

1總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)的工作流程為：通過攝像頭拍攝整個棋盤，在樹莓派上使用OpenCV視覺庫對圖像進行處理，識別棋盤中的幾何圖形，運行博弈算法，解算AI落子位置。通過串口將指令發(fā)送給單片機MK60，實現(xiàn)主機與單片機MK60的通信。單片機通過PWM波控制機械臂，用電磁鐵吸取棋子放到指定位置。智能對弈機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和整體裝置見圖1和圖2。

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1電路實現(xiàn)

硬件部分主要由單片機核心電路、舵機驅(qū)動電路、電磁鐵驅(qū)動電路、電源管理電路組成。單片機電源管理電路由電源芯片LM2940-5.0和TPS7333級聯(lián)組成。LM2940-5.0是輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器，內(nèi)含多種保護電路。TPS7333集成的精密電源電壓監(jiān)控器可對穩(wěn)壓器的輸出電壓進行監(jiān)控，輸出電流最大為500mA。單片機通過周期為20ms的PWM波驅(qū)動舵機轉(zhuǎn)動指定角度。由于舵機的供電電壓變化范圍為4~6.7V，為了使得舵機穩(wěn)定工作，且電源電壓得以統(tǒng)一，共使用兩個LM2576構(gòu)造5V穩(wěn)壓電源給四個舵機供電。LM2576具有完善的保護電路，最大輸出電流為3A。系統(tǒng)采用繼電器控制電磁鐵的開關(guān)，實現(xiàn)了對棋子的吸放。為防止電磁鐵的電壓反沖造成單片機的損壞，使用了一塊光耦隔離芯片連接單片機與電磁鐵。

2.2軟件實現(xiàn)

2.2.1圖像采集樹莓派通過usb免驅(qū)動攝像頭采集圖像，搭配Ubuntu操作系統(tǒng)及OpenCV視覺庫對圖像進行處理。OpenCV作為一個開源的計算機視覺開發(fā)包，有400多個免費的圖像處理函數(shù)，覆蓋了機器視覺的大多應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2.2圖像識別我們運用機器學(xué)習(xí)KNN算法解決方框和棋子外形的識別問題。識別策略為先識別棋盤各個方框，然后再識別所在方框內(nèi)的棋子的幾何圖案，由此得出棋盤布局。該方法在定類決策上只依據(jù)最鄰近的一個或者幾個樣本的類別來決定待分樣本所屬的類別。通過歐氏距離計算對象間距離來作為各個對象之間的非相似性指標(biāo)，避免了對象之間的匹配問題。在具體實現(xiàn)上，我們從采集的多個經(jīng)過預(yù)處理的的二值圖像，剪裁成20*20的圖片，每個圖案的樣本數(shù)量為100~200張不等。

2.2.3博弈處理進行圖像識別后，讀出對手棋子位置，并采用博弈樹極大極小值A(chǔ)lpha-Beta剪枝搜索算法計算落子位置。Alpha-Beta剪枝算法是基于極大極小搜索算法的。極大極小搜索策略是考慮雙方對弈若干步之后，從可能的步中選一步相對好的走法來走，在有限的搜索范圍內(nèi)進行求解，可以理解為規(guī)定一個有限的搜索深度。

2.3機械臂實現(xiàn)

機械臂主要由舵機、支架、碳纖桿、電磁鐵組成。先將兩個高壓數(shù)字舵機CLS6036HV搭建為一個云臺，利用碳纖桿連接數(shù)字舵機S-D5，考慮到機械臂的長度和重量，末端使用小型模擬SG90舵機連接電磁鐵。本平臺通過同時控制不同的舵機從而操控機械臂實現(xiàn)物體的搬運。

3結(jié)語

隨著人類生活水平的提高，各種類型的機器人需求隨之出現(xiàn)，目前幾乎已經(jīng)滲透到生活的各個方面。本文針對使用在陪護娛樂方面的機器人進行了研究和系統(tǒng)開發(fā)，設(shè)計了一個能與孩子或老人對弈，具有陪護、啟發(fā)智商、防止老年癡呆等多種功能的基于OpenCV圖像識別的智能對弈機器人。本文設(shè)計的智能對弈機器人能夠完成自主運行，達到實際控制要求。本方案在圖像信息的處理、機械臂結(jié)構(gòu)和游戲的多樣性有改進和提升的空間，適用與老人與兒童，具有一定的社會經(jīng)濟效益。

參考文獻

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作者：周欣欣 燕澤昊 王廣發(fā) 單位：華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院