CMUcam5 Pixy視覺相機感測器簡介第二部分–創建球平衡梁

Silard Gal

Published by Silard Gal at 2021.04.08

Processing的簡單介紹

camera sensor

Processing是非常有用又靈活的一款軟體。它主要用於視覺藝術和科技領域的視覺語言。這款軟體具有100多個程式館，可支援各種項目。它的文件非常齊全，提供了許多使用指南，涵蓋了從程式設計基礎到視覺化等各種主題。它能夠支援所有作業系統（GNU/Linux, Mac OS X, 和 Windows）。該軟體的設計幾乎和Arduino IDE相同。

今天，我們將使用Processing，透過序列通信實現與Arduino之間的通信。

圖1：Processing介面

項目概況

在此項目中，我將製作一個球平衡梁，一個用木頭製成的“通道”將會像一桿秤那樣使球保持平衡（圖2）。平衡梁44cm寬，3cm高。我把它製造的像通道一樣狹窄，使我們所追蹤的球不會掉落出去。

我使用S06NF伺服馬達來行動整個平衡梁，該馬達由Arduino進行控制。之後我們會看一下在本課程後面部分的代碼。現在，我已經將伺服放置在了距離平衡梁左端¼的位置。

圖2：S06NF STD 伺服馬達/ ©RobotShop inc.

伺服將上下行動平衡梁，同時，球也會沿著該路徑行動。

圖3：平衡梁上下行動

數位相機將會放置在平衡梁上。我將相機的視野範圍設定為僅限於平衡梁。這樣，相機就會只追蹤球，不追蹤任何其他物體了。

平衡梁結構

首先，我們需要一些用於構建平衡梁的材料。我將要使用的是一種簡單的XXMM木材（20cm x 27cm）。我用圓鋸來切割木材，但是您可以使用現有的任何類型的鋸來完成切割，只要能夠保障切割面平整、均勻即可。

圖4：XXMM木材

請記住，只有使用正確的工具才能夠製造出完美的平衡梁！我使用的是一把錘子、一把直尺、釘子、砂紙、熱膠、一個鑽頭和一把鋸子。

圖5：工具

首先，我將製造一個通道，使球能夠在其中左右行動。通道的側面由四塊木板組成（每個21cm x 3cm）。通道在高度方向的兩端將由兩塊木板（4cm x 3cm）封接。底座的尺寸是42cm x 3cm x 1cm。

我使用15mm大帽釘來連接零零件。

圖6：封閉通道

在通道中間建立傾斜點有很多種方法。我使用了一種非常簡單的方法，因為成本最低且最容易實現。我用了一個長釘子，兩個像軸承一樣的小管子，先標記了通道的中心點，然後將這些小軸承熱粘合到該中心點，再插入釘子。

圖7：用於構建傾斜點的釘子和管子

為了設定傾斜點，我們還需要為釘子製作支架。我用了兩塊8cm x 2cm的木板，如圖8所示。我還製作了一個小平台，可以將所有東西放置在一起，尺寸為12cm x 4.5cm。

圖8：傾斜點支架

我使用了一小塊木材來安裝伺服並將其架起。

圖9：安裝在木板上的伺服

在本課程中我使用的是Arduino UNO，但是您也可以使用其他具有SPI連接器的Arduino來連接到Pixy相機。

連接所有零件

一旦構建完成，下一步就是將Pixy相機連接到Arduino，然後再連接到伺服。原理圖與CMUcam5 Pixy視覺相機感測器簡介中的相同。我仍然使用外部5V電源為伺服供電。

!警告! 不要忘記連接接地端。如果沒有將電源、伺服和Arduino接地端相連接，伺服將會失控！

圖10：接線圖

接下來，我需要在平衡梁結構上方的某個位置設定Pixy，以便它可以隨時檢測到球的位置。調整設定使其僅可以對球進行檢測。請參考第一部分進行設定。

圖11：Pixy視覺

現在，讓我們來看一些代碼。為了檢測伺服是否工作正常，我修改了中間、最右邊和最左邊的角度，使其適合於我的結構。

#include <Servo.h>



uint8_t leveled = 110;     //middle positon for s1 to keep the board leveled

uint8_t far_right = 180;     //far left positon for s1 to keep the board leveled

uint8_t far_left = 0;     //far right positon for s1 to keep the board levele

Servo s;  

void setup(){

s.write(leveled);

  delay(2000);

  s.write(far_right);

  delay(2000);

  s.write(far_left);

  delay(2000);

}

void loop(){

}

#include <Servo.h>

uint8_t leveled = 110; //middle positon for s1 to keep the board leveled

uint8_t far_right = 180; //far left positon for s1 to keep the board leveled

uint8_t far_left = 0; //far right positon for s1 to keep the board levele

Servo s;

void setup(){

s.write(leveled);

delay(2000);

s.write(far_right);

delay(2000);

s.write(far_left);

delay(2000);

}

void loop(){

}

當然，您可以根據自己的喜好來調整變數。

之前，我介紹了一個名叫Processing的軟體。我將使用它透過序列通信來實現與Arduino的通信。

Arduino 代碼

簡單的序列通信:

#include 
#include  

char val; // Data received from the serial port
 int ledPin = 13; // Set the pin to digital I/O 13
void setup() {
   pinMode(ledPin, OUTPUT); // Set pin as OUTPUT
   Serial.begin(9600); // Start serial communication at 9600 bps
 }
 void loop() {
   if (Serial.available())
   { // If data is available to read,
 	val = Serial.read(); // read it and store it in val
   }
   if (val == '1')
   { // If 1 was received
 	digitalWrite(ledPin, HIGH); // turn the LED on
   } else {
 	digitalWrite(ledPin, LOW); // otherwise turn it off
   }
   delay(10); // Wait 10 milliseconds for next reading
}

#include

char val; // Data received from the serial port

int ledPin = 13; // Set the pin to digital I/O 13

void setup() {

pinMode(ledPin, OUTPUT); // Set pin as OUTPUT

Serial.begin(9600); // Start serial communication at 9600 bps

}

void loop() {

if (Serial.available())

{ // If data is available to read,

val = Serial.read(); // read it and store it in val

}

if (val == '1')

{ // If 1 was received

digitalWrite(ledPin, HIGH); // turn the LED on

} else {

digitalWrite(ledPin, LOW); // otherwise turn it off

}

delay(10); // Wait 10 milliseconds for next reading

}

Processing 代碼

import processing.serial.*;

Serial myPort;  // Create object from Serial class

void setup()
{
  size(200,200); //make our canvas 200 x 200 pixels big
  String portName = Serial.list()[0]; //change the 0 to a 1 or 2 etc. to match your port
  myPort = new Serial(this, portName, 9600);
}
void draw() {
  if (mousePressed == true)
  {                       	//if we clicked in the window
   myPort.write('1');     	//send a 1
   println("1");  
  } else
  {                       	//otherwise
  myPort.write('0');      	//send a 0
  }  
}

import processing.serial.*;

Serial myPort; // Create object from Serial class

void setup()

{

size(200,200); //make our canvas 200 x 200 pixels big

String portName = Serial.list()[0]; //change the 0 to a 1 or 2 etc. to match your port

myPort = new Serial(this, portName, 9600);

}

void draw() {

if (mousePressed == true)

{ //if we clicked in the window

myPort.write('1'); //send a 1

println("1");

} else

{ //otherwise

myPort.write('0'); //send a 0

}

改代碼創建了一個200×200像素的視窗並初始化序列埠。draw()空函數用於檢查是否在視窗上按下了滑鼠（如果按下寫入1，沒有按下則寫入0）。

現在，我們來測試代碼。點擊運行，然後嘗試點擊視窗中任意位置，這時您的LED燈應發生閃爍，這就表示著一切工作正常！

圖12：Processing 和 Arduino代碼的基本測試

使用Processing程式設計

我獲取了伺服的相關值，並在Processing中對其進行了處理，所以產生了一個類似於下圖所示的圖片。

圖13：範例圖片

請用以下代碼創建圖像：

import processing.serial.*;

Serial myPort;        // The serial port
int xPos = 1;         // horizontal position of the graph
float inByte = 0;

void setup () {
  // set the window size:
  size(400, 300);

  // List all the available serial ports
  // if using Processing 2.1 or later, use Serial.printArray()
  println(Serial.list());

  // I know that the first port in the serial list on my mac
  // is always my  Arduino, so I open Serial.list()[0].
  // Open whatever port is the one you're using.
  myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);

  // don't generate a serialEvent() unless you get a newline character:
  myPort.bufferUntil('\n');

  // set inital background:
  background(0);
}
void draw () {
  // draw the line:
  stroke(127, 34, 255);
  line(xPos, height, xPos, height - inByte);

  // at the edge of the screen, go back to the beginning:
  if (xPos >= width) {
    xPos = 0;
    background(0);
  } else {
    // increment the horizontal position:
    xPos++;
  }
}


void serialEvent (Serial myPort) {
  // get the ASCII string:
  String inString = myPort.readStringUntil('\n');

  if (inString != null) {
    // trim off any whitespace:
    inString = trim(inString);
    // convert to an int and map to the screen height:
    inByte = float(inString);
    println(inByte);
    inByte = map(inByte, 0, 1023, 0, height);
  }
}

import processing.serial.*;

Serial myPort; // The serial port

int xPos = 1; // horizontal position of the graph

float inByte = 0;

void setup () {

// set the window size:

size(400, 300);

// List all the available serial ports

// if using Processing 2.1 or later, use Serial.printArray()

println(Serial.list());

// I know that the first port in the serial list on my mac

// is always my Arduino, so I open Serial.list()[0].

// Open whatever port is the one you're using.

myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);

// don't generate a serialEvent() unless you get a newline character:

myPort.bufferUntil('\n');

// set inital background:

background(0);

}

void draw () {

// draw the line:

stroke(127, 34, 255);

line(xPos, height, xPos, height - inByte);

// at the edge of the screen, go back to the beginning:

if (xPos >= width) {

xPos = 0;

background(0);

} else {

// increment the horizontal position:

xPos++;

}

void serialEvent (Serial myPort) {

// get the ASCII string:

String inString = myPort.readStringUntil('\n');

if (inString != null) {

// trim off any whitespace:

inString = trim(inString);

// convert to an int and map to the screen height:

inByte = float(inString);

println(inByte);

inByte = map(inByte, 0, 1023, 0, height);

}

Arduino 代碼:

#include 
#include 
#include 
#include  

//37       	164       	288

uint8_t leveled = 110;    	//middle positon for s1 to keep the board leveled	
uint8_t far_right = 180;    	//far left positon for s1 to keep the board leveled
uint8_t far_left = 0;    	//far right positon for s1 to keep the board levele
int current_pos = leveled;
int percentage,var,_percen;


Servo s;        	
Pixy pixy;

void test_board(){
  while(Serial.read() != 'b');
  Serial.write("Starting test");
  s.write(leveled);
  delay(2000);
  s.write(far_right);
  delay(2000);
  s.write(far_left);
  delay(2000);
  Serial.write("Finished test, press any key to continue");
  while(Serial.read() != 'c');
  s.write(current_pos);
  Serial.write("Continued");
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  s.attach(9);
  pixy.init();
  while (!Serial);
  //test_board();
  s.write(current_pos);
}
void _servo(unsigned char side,int var){
  //by the % we get how "hard" we need to wip :D
  var = var - 90;
  if(side == 'L'){
	//Serial.write("LEFT");
	//90  180
	_percen = 90 + var;
	s.write(_percen);
  }else{
	//Serial.write("RIGHT");
	//0  90
	_percen = 90 - var;
	s.write(_percen);
  }
}
void loop() {
  static int i = 0;
  int j;
  uint16_t blocks;
  char buf[32];
 
  // grab blocks!
  blocks = pixy.getBlocks();
 
  // If there are detect blocks, print them!
  if (blocks)
  {
	i++;
	
	// do this (print) every 50 frames because printing every
	// frame would bog down the Arduino
	if (i%1 ==0)
	{
  	//sprintf(buf, "Detected %d:\n", blocks);
  	//Serial.print(buf);
  	for (j=0; j<blocks; j++)
  	{
    	//sprintf(buf, "  block %d: ", j);
    	//Serial.print(buf);
  	//  pixy.blocks[j].print();
    	uint32_t x_pos= pixy.blocks[j].x;
    	//Serial.write(x_pos);

    	
    	
    	percentage = (x_pos - 35) / 2.5;
    	if(percentage <= 40 && percentage >= 0){
    	//  Serial.write("LEFT");
      	var = percentage / 0.4;
      	_servo('L',var);
    	}else if(percentage >= 60 && percentage <= 110){
      	//Serial.write("RIGHT");
      	var = (percentage - 60) / 0.5;
      	_servo('R',var);
    	}else{
      	//Serial.write("MIDDLE");
    	}
  	}
	}
  } 
 
}

100

101

102

#include

//37 164 288

uint8_t leveled = 110; //middle positon for s1 to keep the board leveled

uint8_t far_right = 180; //far left positon for s1 to keep the board leveled

uint8_t far_left = 0; //far right positon for s1 to keep the board levele

int current_pos = leveled;

int percentage,var,_percen;

Servo s;

Pixy pixy;

void test_board(){

while(Serial.read() != 'b');

Serial.write("Starting test");

s.write(leveled);

delay(2000);

s.write(far_right);

delay(2000);

s.write(far_left);

delay(2000);

Serial.write("Finished test, press any key to continue");

while(Serial.read() != 'c');

s.write(current_pos);

Serial.write("Continued");

}

void setup() {

Serial.begin(9600);

s.attach(9);

pixy.init();

while (!Serial);

//test_board();

s.write(current_pos);

}

void _servo(unsigned char side,int var){

//by the % we get how "hard" we need to wip :D

var = var - 90;

if(side == 'L'){

//Serial.write("LEFT");

//90 180

_percen = 90 + var;

s.write(_percen);

}else{

//Serial.write("RIGHT");

//0 90

_percen = 90 - var;

s.write(_percen);

}

void loop() {

static int i = 0;

int j;

uint16_t blocks;

char buf[32];

// grab blocks!

blocks = pixy.getBlocks();

// If there are detect blocks, print them!

if (blocks)

{

i++;

// do this (print) every 50 frames because printing every

// frame would bog down the Arduino

if (i%1 ==0)

{

//sprintf(buf, "Detected %d:\n", blocks);

//Serial.print(buf);

for (j=0; j<blocks; j++)

{

//sprintf(buf, " block %d: ", j);

//Serial.print(buf);

// pixy.blocks[j].print();

uint32_t x_pos= pixy.blocks[j].x;

//Serial.write(x_pos);

percentage = (x_pos - 35) / 2.5;

if(percentage <= 40 && percentage >= 0){

// Serial.write("LEFT");

var = percentage / 0.4;

_servo('L',var);

}else if(percentage >= 60 && percentage <= 110){

//Serial.write("RIGHT");

var = (percentage - 60) / 0.5;

_servo('R',var);

}else{

//Serial.write("MIDDLE");

}

代碼釋義

我將x的位置從Pixy轉換為0-100%，並由此瞭解球的具體位置。透過獲取球的位置，我可以調整伺服轉速。如果球的位置 <=10%，伺服會轉得更快來維持平衡；如果在~40%附近，伺服會以很低的轉速來維持平衡。想要一直保持平衡是比較棘手的，我們可以改進演算法以使其更加精確。

以下是一些有益於提升的建議：

嘗試多種演算法
- 有多種類型的數學演算法可以進行計算。我至少嘗試了兩到三種，但是最後決定選擇該演算法。我建議您自己來編寫演算法，以更好地掌握這種平衡的方法。
更好的硬體
- 對於本項目來說，沒有什麼材料可稱得上是完美的，木材就更差得遠了。如果我擁有及時可用的資源，那我會選擇用金屬來建造它，這樣整個項目將會更加穩定和精確。
變得更快
- 我們如何做到使其更快地恢復平衡？我在這裡使用了一個簡單的伺服。我們可以將其替換為UART或者AX-12之類的伺服，它們會強大、快速得多。速度也與演算法有關。同樣，我建議您嘗試不同的演算法，以找到適用於您的目的的演算法。