画家机器人

` *本帖最后由 goyuqinghua 于 2014-12-2 14:56 编辑*

` 本帖最后由 goyuqinghua 于 2014-12-2 14:56 编辑

这个画家机器人是一个4级的机械臂，可以使用笔或者铅笔，在A3纸上勾画出任何图像的轮廓，这里面有我们定制的边缘检测算法。项目依赖于核心的电机，还有提取上载的图像的边缘算法。

先来看看硬件框图：

硬件的基本布局是如上述。图像采集是通过一个摄像头或照相机来获得。我们也可以扫描现有图片，变成JPEG格式导入。虽然RGB LED灯条和液晶屏不是绝对必要的，但是为了好玩，还是可以放上去。

再来看看软件框图：

上面是该软件的结构。其基本思想是让matlab做所有的繁重计算，让Arduino去控制挥舞铅笔。程序需要人功来设置一些参数，来控制将获得一个良好的画面输出给用户。

这里有一张作了快速寻边操作的图片：

这些东西，我们大概慵懒地做了一个下午或晚上，我不记得了。想出这个创意是正在犯困的时候...一半睡着了，半梦半醒。当我们恢复了我们的知觉的时候，我们意识到有一堆可以把那个工作做好的代码，但并没有完全达到国际编码标准，以足以让开发者疯狂的程度。但它可以正常工作。所以我们让它保留下来。我们向您介绍实际绘图的代码的一部分。在之前，你必须了解我们如何图纸上正确的地方来定位我们的笔的位置了。

总之，什么是最简单，最懒的在纸上画出东西来的方法？告诉我们，如果你有这些懒惰的方法，但是，为了增加Arduino控制绘画的速度，我们发送每个像素所对应的角度值给每AX-12A伺服电机。这导致触针移动到目前被跟踪的像素时根据需要变换方向。下面是我们如何发送信号到Arduino。

用于控制第1到3个伺服电机，每个伺服电机我们需要10位 - （0-1023自Dynamixel AX-12A电机提供300度的旋转超过1023步），第四伺服只需要1个字节来代表加/减。因此共有31位（近4个字节）必须发送用于表示每个像素的位置。但是，由于Arduino的只支持8位串行数据，我们分解并重新排列位如下：

前3个字节是由低8位的伺服角度值构成。在第4字节被存放的分别是高2位3个伺服电机的角度值，延迟控制位和表示如上所示伺服4的角位的形成。这4个字节一起表示在纸张上被绘制一个单个点的图像。这些字节随后被发送到Arduino。

Arduino的微控制器支持标准波特率：4800，9600，19200，38400，57600，115200 Arduino有一个64字节串行的寄存器单元(Mega)，用来接收传入的字节。 MATLAB最初发送64字节的数值向Mega。在连续的周期，以后每读取32字节的数据，它发送一个信令字节到MATLAB中请求的下一个32个字节。在此期间，Mega可以读取剩余的32个字节，因此不存在延迟由等待。我们选择信令字节是50（0b00110010）。

Edgestrack ---一个不可思议的边缘检测算法
在检测到像素是不是存在于边缘后，Canny算子滤波器会分别输出强调每个像素周围的各梯度。然而，它不包括一组相邻像素形成的结构体的长度，因此，仅几个像素可以构成边缘的长度。这对于机器人来说绝对不是好消息，是因为这意味着他会花大量的时间戳在图纸上;搞乱了良好的效果图并占用了大量的时间上。

我们使用的一个算法是评估每个结构的长度，然后沿着每个像素梯度的总和决定了结构是否形成一个整体，来区分是否是边缘。

好了，我们怎么找出每个结构体的长度是多少？需要修正的是所有单个结构的所有叉枝，直到只有完全开放的或完全封闭的结构存在。

在上面那个阶段，我们把分支节点，还有单个节点全部去除了，只留下了开环与闭环的结构体。如上图，我们在所有开环的结构线条上标出了所有的端点，这会比较容易让我们的程序去跟踪每个结构线条。

先从估算开环结构线条开始：我们从一个开环结构体的端点开始，一个像素一个像素地沿着线条向下面移动，直到另一个端点。然后程序会在周边找到另一个最近的开环结构线条，并跳至它的端点，进行下一个线条跟踪算法。为了防止会在同一开环线条不停重复地做这种跟踪算法，程序会在条跟踪完一个点后，把它标记为删除！
最后，程序跟踪完毕所有的开环结构线条，得到它们的长度并将它们标记为删除！这些信息全部保存之后，我们刚始进行闭环结构线条的跟踪！其实有点类似，但不同的是闭环的结构线条由于没有端点，我们可以从上面的任一个点开始，一个像素一个像素沿着线条走动，直到碰到开始的端点，当然在计算完长度与跟踪完线条的每个像素点以后，这些点也会被标识为删除，同时程序会自动跳到最相邻的那个闭环线条上的最近像素点上，开始下一轮的跟踪，直到所有的闭环线条长度被计算并保存下来，生成的路径信息也被记录！
下面来看一看算法的效果，边缘被白色的像素标识出来：

我们可以看到，很多很微小的细节因为线条太短被丢掉了，这可能让人觉得得不尝失。但我们可以小心地控制一些程序里追踪参数，来降底图像上的噪点，并且更多地保留下原图的细节！

Edgestract :在绘制整个世界之前，我们需要程序先把它们勾勒出来！

现在来想想要怎么控制机械臂。。。

我想大家一定非常感兴趣机械臂的机械结构，以前控制它们的四个部分的数字参数。这些其实看上去真的不算难，来一起看一看吧。
这个算法的目的就是控制伺服电机的旋转角，而将机械臂的持笔那点，定位到（X3,Y3)上面。我们基于笛卡尔坐标系作计算基础，S1作为起始的中心轴。下面来提及一个我们可能已经遗忘了的简单公式：

开始，我们先假设我们知道(X1,Y1)。
S4因为最后端，只是拿着笔的，所以可以不用参与角度的计算。

当我们知道L1,L2和R2后，通过公式我们可以找到S3要移动的角度（O3）。

O3 = acos ( ( L2^2 + L3^2 - R2^2 ) / (2.L2.L3) )

类推, 我们可以找到图里面标出的O2a 和 O2b。 O2a 和 O2b相加,我们可以得到角度O2

O2a = acos ( ( L2^2 + R2^2 - L3^2) / (2 . L2 . R2) )

O2b = acos ( ( L1^2 + R2^2 - R3^2) / (2 . L1 . R2) )

O2 = O2a + O2b

现在好，但我们还没有得到O1，这需要一点技巧，看下图，我们需要把它划分成三个区域：

如果要画的点离原点距离比距D1远, 那么 O1 = actan ( y/x ).
如果要画的点离原点的距离比离D2要近, 那么O1 = actan ( y/x ) + pi/2.
如果要画的点离原点的距离比离D21要近，但比离D1要远, 那么 O1 = actan( y/x )+( pi/2 ).( D2 - R3 ) / ( D3 - D2 ).