树莓派六足机器人实现智能分类搬运（二）

杨广峰

在第8期的《用树莓派机器人实现更智能的垃圾分类搬运》中，树莓派六足机器人相继实现了正对目标物体的识别搬运、任意位置目标物体的识别搬运。接下来，我们将考虑多个目标物体的识别问题，尝试让机器人完成多任务的识别和搬运工作。本文将在原来的程序中增加步骤判断，实现一个任务完成后，自动進入下一个目标的搬运任务。

一、树莓派实验器材及连接

实验器材：树莓派六足机器人一套（六足机器人、树莓派4B、古德微扩展板、电机驱动板、USB摄像头），目标物体两个（红色、蓝色海绵正方体各一个，边长为10厘米）（如图1）。

二、创建物体检测模型

创建物体检测模型的步骤与前例相同。

1.登录网站，开始“物体检测

登录古德微机器人网站（www.gdwrobot.cn），选择“物体分类”进入“远程使用树莓派摄像头进行物体分类”页面。

2.采集并标注，训练与验证

使用拍照功能，不断变换机器人的位置与角度，进行目标图片的添加，完成目标图片的采集工作。这个过程目标图片采集得越多，后期识别的效率和准确度就会越高。

然后，完成对采样的目标图片的物体的标注工作。接下来，使用“开始训练”按钮对采集的图片进行训练。最后对预览图片中的物体进行分类验证，目标物体的分类识别置信度在80%以上，即说明训练模型具有较高的应用价值。

3.下载训练模型文件，保存至树莓派中

完成拍照采集与训练验证后，点击“下载树莓派上使用的模型”，等到“模型转换下载完成”提示。这时，文件下载到树莓派的/home/pi/model/object_detection目录下，模型文件为model.tflite，对应标签文件为labels.txt。通过Windows的远程桌面连接进入树莓派进行查看，labels.txt的文件内容包含两行，依次对应训练模型的分类名称：“红色、蓝色”。

三、六足机器人实现搬运编程

本例中，机器人面向前方进行拍照，自动寻找并识别目标物体，读取物体的位置数据，计算物体的位置偏差，根据情况进行相应的偏差处理，机器人自动转向，按照步数前进至物体前方，并实施搬运，完成第一个任务后程序自动修改变量“步骤”值，开启下一个任务。

1.程序初始化

首先，控制摄像头两个舵机，调整其最佳拍摄角度，设置机器人的最初姿态，将机器人任务的开关变量“步骤”设为1，创建“目标列表”，记录需要完成的目标物体名称，完成对机器人的初始化。这里设计了两个任务，其目标物体的名称为“红色”和“蓝色”，如需要更多的夹取任务，在列表追加项目即可（如图2）。

2.拍照与检测函数

使用机器人摄像头对前方拍照，调用物体检测模型对照片进行检测，返回检测结果列表（如图3）。

3.读取检测结果函数

这个函数是从检测结果列表中找到我们的目标（红色物体）的名称和置信度。

通过判断检测结果列表的长度是否大于0来区分有没有检测结果，没有检测结果则需要跳出判断重新检测；有结果，则对检测结果进行下一步的处理。首先，循环读取检测结果列表中的每一个检测结果字典，分别读出这个检测结果字典中的置信度和物体名称。然后判断物体名称是否红色物体，如果符合条件，则找到了我们的目标名称和置信度，中断循环，准备下一个环节（如图4）。

4.计算位置偏差函数

首先，从检测结果字典中获取检测框的位置列表，分别获取检测框的左上和右下两个点的横、纵坐标值。计算出检测框的物体横向像素位置（横向中心），与图片中心位置相比较获取物体的位置偏差。这里使用的公式为：位置偏差=320-物体横向位置。因为摄像头拍出的照片是640×480，所以照片的横向总宽度是640，照片的中心位置是320（如图5）。

5.位置偏差处理函数

获取了物体的位置偏差，接下来就需要控制机器人进行相应的旋转，以实现机器人能够锁定目标物体进行前进。考虑到偏差较大的情况，我们还需要对位置偏差做偏差除以8进行缩放，并且对偏差值进行了一定范围（从负10到正10）的限制。偏差处理结束后，机器人按照位置偏差的角度进行相应的旋转，最后将置信度设为0，完成本次拍照的识别纠正工作（如图6）。

6.计算距离与步数函数

首先，计算出检测框的物体横向像素大小（横向长度），根据计算公式得到机器人与目标物体之间的当前距离。然后，计算出机器人到达物体所需要的前进步数。最后，控制机器人按照步数前进。为使机器人更加准确地到达最佳夹取距离，这里对前进步数进行了限制，限制机器人每次识别后最少走1步，最多走10步，以实现反复拍照、识别和校正的目的（如图7）。

7.智能搬運物体

首先，判断机器人是否到达最佳夹取位置，如果条件满足，开始夹取物体。然后，控制机器人先向后移动，再左转90度，再向前，到达指定的投放位置。接着，控制机器人放下物体，后退9步，到达地图的中央位置，完成第一个智能搬运工作。如果当前任务是最后一个任务，将变量“步骤”设为0，标志着整个搬运工作全部结束，否则将变量“步骤”加1，开启下一个搬运任务（如图8）。

8.主程序

首先，调用程序初始化函数。然后，建立一个重复当真的循环，实现根据任务反复拍照、识别、纠偏、前进，直至到达最佳夹取位置，实现夹取任务。根据多任务的要求，每次循环前需要根据步骤从目标列表中读取当前目标，目标物体有效识别后，如果偏差较大，进行合适的偏差缩小，机器人自动旋转至目标物体的正前方，根据距离计算出步数，并进行有限步数（1-10步）的前进，如果达到了最佳夹取距离，机器人完成夹取任务。最后，为了解决因为目标物体不在机器的前方而造成的识别为空的情况，我们给机器人设置了一个识别不成功时，原地自行旋转30度的操作，自动寻找识别（如图9）。

经过多次测试，机器人在任意角度、任意位置时均能成功夹取目标物体，第一个任务结束后，能够自动切换目标任务，继续完成第二个目标的智能搬运工作，从而实现了任意目标、任意位置、多任务的智能搬运升级。在这个例子的基础上，下一篇我们将为六足机器人添加更多的功能，如利用物联网控件实现手机微信控制机器人，同时实现自动与手动切换控制机器人。