机器人视觉硬件方案设计对比

# 机器人视觉硬件方案设计对比

标签（空格分隔）： 机器人视觉导航 openmv 树莓派 opencv

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## 背景
去武汉比赛的时候，我带着树莓派加摄像头的方案过去了，心里面还得挺得意洋洋的，觉得这么做的人肯定不多。结果到了现场看了其他人做的作品感到被啪啪地打脸，总之差距还是有不少的。比赛完后，我不要脸地凑过去和一些其他学校的同学交流了一下，又上网查阅了相关的资料，对机器人视觉导航硬件方案作出一些对比和总结，方便之后的同学。
    *顺便提一句，本文章采用markdown格式编辑，以作为练习。*
## **方案对比**

### 1. “树莓派摄像头+树莓派”组合

这就是我在本次比赛中使用的方案。树莓派作为一种微型计算机，功能强大，作为图片处理的核心完全足够，实际运行时内存占用率甚至没有超过一半。程序则选择了opencv库。这是一款专门针对图像处理而建立的库，主流为c++，但也有python接口，但是Python的中文的说明文档却很少，以至于我不得不翻看英文的API接口说明书好长时间。

摄像头采用的树莓派官方的摄像头模块，体积小巧，像素很高，价格在百元左右，不是很贵，而且也可以用USB摄像头来替代。摄像头和arduino一样由树莓派供电。树莓派的供电没有专门的电池，很麻烦，所以直接在网上淘宝到了一块树莓派的电源扩展板（很好用），利用可充电的锂电池解决供电问题。
   
在程序设计过程中给我感觉的是相关文章的缺少（也有可能我没有找对路子），以至于几乎所有的框架都是我自己搭建起来的，在其中还夹杂着我的一些诸如权重惩罚，群体决策等来自ML学习时的一些小的灵感，很有一种成就感。当然，也花了很长时间。
   
不可否认的是，这个组合的问题也很多，但最关键的还是一个问题：重量。对于机器人而言，过重的上半身会极大地影响其平衡和稳定性，然而树莓派的板子本身就很重很大，加上电池扩展板和摄像头以及连接线对机器人的平衡性的影响是致命的。
   
当然，它也有自己的优势。由于处理器性能很高，而且opencv的自由度很高，所以我们能用它来完成一些特定或者特殊的任务，比如人脸识别等。而且还可以做一些实时图像处理的项目。虽然在比赛中这些优势没什么用。
   
### 2. openmv3 组合
在来比赛之前，我还真没有听说过这个产品，甚至网上搜索相关学习文章时也没有发现。直到我来到了比赛现场……这真是一个悲伤的故事。

不过没关系，我们先看看它是什么样子的吧。

![openmv板子][1]

没错，极其小巧玲珑，并且可以直接与arduino相连，换句话说这个小小的板子等于之前“树莓派+摄像头+电源扩展板+数据线+聚合物锂电池”一堆东西的总和，其轻量化和小型化程度直接吊打前一种方案而毫无压力，极大地改善了机器人的平衡性能。这东西貌似是2015年刚出来的，是一个开源，低成本，功能强大的机器视觉模块。功能也很强大：
   
> 以STM32F427CPU为核心，集成了OV7725摄像头芯片，在小巧的硬件模块上，用C语言高效地实现了核心机器视 觉算法，提供Python编程接口。
> OpenMV的定位是“带机器视觉功能的“Arduino”。它可以通过UART，I2C，SPI，AsyncSerial以及GPIO等控制其 他的硬件，甚至是单片机模块。

总的来说，openmv也有自己的库和接口，有大量的实例，有反馈系统，极大地减轻了工程量，当然，降低的也有学习量。它的功能强大，涉及图像处理，视频处理，追踪检测等多个领域。它在图像的专业处理固然表现的不如之前的方案，但是作为简单的机器人视觉导航已经足够。
   
## **比赛经验总结（仿人竞速）** ##
1. 纸质比赛场地不适合红外线传感器，红外传感器要架高，用电工胶布包起来，但更推荐激光传感器，它的抗干扰能力更强。
2. 结构调整：一般17舵机以上，有明显的膝盖结构，要将胯间拉大，上半身做小以保持平衡。膝盖的连接件采用倾斜或者水平结构。如果上半身重量过重，脚底板可以增加一定重量。整体结构建议采用毛铁，3D打印件有弹性，强度也不够。淘宝上有现成的零件，不要自己打磨和加工来浪费宝贵的时间。
3. 摄像头：放置于底板上倾斜向下，或者腰部延伸向下拍摄，图像处理芯片采用openmv3，相比较树莓派加摄像头加电池的笨重的组合，前者的体积较小且重量更轻。摄像头必须固定，用刚性连接避免抖动。摄像区域为脚前的一小块。为了配合图像拍摄，每次步伐都很小，保证稳定，黑线始终在摄像范围内。
4. 障碍赛跨障动作可以采用直跨（抬腿或者后仰迈腿），但是斜跨的成功率更高（有一定概率将障碍推开而不是推到）。障碍物侦测可以选用超声波，激光传感器或者光电感应，超声波双脚一致对称，距离一致或者相差不大才执行越障动作。
5. 动作组调整：每次步伐要小，转弯不能分解为转弯和直走，而要直接斜直线。

   
  [1]: http://image108.360doc.com/DownloadImg/2017/07/1713/106045621_8.png