图像识别下的智能对弈机器人设计实现x

图像识别下的智能对弈机器人设计实现

机器人技术是备受当今世界关注的前沿课题。近年来，机器人技

术取得了巨大发展，已经对许多国家的国民经济和人民生活产生了重

大影响。很多青少年都有做事精神不集中的问题，而老年人也有记忆

力衰退，老年痴呆等问题。而下棋不仅可以提高他们的专注力，在观

察对手状态的时候，也能提高记忆力、创造力和逻辑思维能力。因此，

本文设计了一个关于井字棋的基于图像识别的智能对弈机器人。

1总体设计方案

本系统的工作流程为：通过摄像头拍摄整个棋盘，在树莓派上使

用OpenCV视觉库对图像进行处理，识别棋盘中的几何图形，运行博

弈算法，解算AI落子位置。通过串口将指令发送给单片机MK60，实

现主机与单片机MK60的通信。单片机通过PWM波控制机械臂，用

电磁铁吸取棋子放到指定位置。智能对弈机器人系统结构和整体装置

见图1和图2。

2系统实现

2.1电路实现

硬件部分主要由单片机核心电路、舵机驱动电路、电磁铁驱动电

路、电源管理电路组成。单片机电源管理电路由电源芯片LM2940-5.0

和TPS7333级联组成。LM2940-5.0是输出电压固定的低压差三端稳压

器，内含多种保护电路。TPS7333集成的精密电源电压监控器可对稳

压器的输出电压进行监控，输出电流最大为500mA。单片机通过周期

为20ms的PWM波驱动舵机转动指定角度。由于舵机的供电电压变

化范围为4~6.7V，为了使得舵机稳定工作，且电源电压得以统一，共

使用两个LM2576构造5V稳压电源给四个舵机供电。LM2576具有完

善的保护电路，最大输出电流为3A。系统采用继电器控制电磁铁的

开关，实现了对棋子的吸放。为防止电磁铁的电压反冲造成单片机的

损坏，使用了一块光耦隔离芯片连接单片机与电磁铁。

2.2软件实现

2.2.1图像采集树莓派通过usb免驱动摄像头采集图像，搭配

Ubuntu操作系统及OpenCV视觉库对图像进行处理。OpenCV作为一

个开源的计算机视觉开发包，有400多个免费的图像处理函数，覆盖

了机器视觉的大多应用领域。

2.2.2图像识别我们运用机器学习K算法解决方框和棋子外形

的识别问题。识别策略为先识别棋盘各个方框，然后再识别所在方框

内的棋子的几何图案，由此得出棋盘布局。该方法在定类决策上只依

据最邻近的一个或者几个样本的类别来决定待分样本所属的类别。通

过欧氏距离计算对象间距离来作为各个对象之间的非相似性指标，避

免了对象之间的匹配问题。在具体实现上，我们从采集的多个经过预

处理的的二值图像，剪裁成20*20的图片，每个图案的样本数量为

100~200张不等。

2.2.3博弈处理进行图像识别后，读出对手棋子位置，并采用博

弈树极大极小值Alpha-Beta剪枝搜索算法计算落子位置。Alpha-Beta

剪枝算法是基于极大极小搜索算法的。极大极小搜索策略是考虑双方

对弈若干步之后，从可能的步中选一步相对好的走法来走，在有限的

搜索范围内进行求解，可以理解为规定一个有限的搜索深度。

2.3机械臂实现

机械臂主要由舵机、支架、碳纤杆、电磁铁组成。先将两个高压

数字舵机CLS6036HV搭建为一个云台，利用碳纤杆连接数字舵机S-D5，

考虑到机械臂的长度和重量，末端使用小型模拟SG90舵机连接电磁

铁。本平台通过同时控制不同的舵机从而操控机械臂实现物体的搬运。

3结语

随着人类生活水平的提高，各种类型的机器人需求随之出现，目

前几乎已经渗透到生活的各个方面。本文针对使用在陪护娱乐方面的

机器人进行了研究和系统开发，设计了一个能与孩子或老人对弈，具

有陪护、启发智商、防止老年痴呆等多种功能的基于OpenCV图像识

别的智能对弈机器人。本文设计的智能对弈机器人能够完成自主运行，

达到实际控制要求。本方案在图像信息的处理、机械臂结构和游戏的