基于FPGA的掃雷機器人軟硬件設計

系統結構和功能簡(jiǎn)介

系統主要由三部分組成：

1、PC端的用于完成系統自我學(xué)習的初始化程序。

2、進(jìn)行數字圖像處理和模擬人類(lèi)思維進(jìn)行掃雷的決策模塊。

3、機械手臂。

PC端初始化程序：

在系統開(kāi)始進(jìn)入游戲之前，初始化程序會(huì )配合嵌入式系統在電腦顯示屏上生成相應的與掃雷游戲相關(guān)的圖案，輔助系統完成自我學(xué)習過(guò)程。

決策模塊：

這部分是系統的核心部分，主要由FPGA、攝像頭等其它必要的外圍設備組成，完成對電腦屏幕的圖像采集，然后利用OPENCV或者Simulink編寫(xiě)的算法對圖像進(jìn)行處理，并根據游戲規則模擬人類(lèi)的思維做出決策，這些決策包括對游戲中的哪個(gè)雷區小方塊進(jìn)行操作，進(jìn)行怎樣的操作（單擊、右擊、同時(shí)兩個(gè)鍵雙擊），作出決策之后將決策信息輸出給機械手臂。

機械手臂：

機械手臂的工作比較簡(jiǎn)單，包括對鼠標位置的精確移動(dòng)，完成對鼠標按鍵的操作（單擊、雙擊等）。機械手臂對鼠標進(jìn)行控制來(lái)完成游戲，就像人控制鼠標一樣。

圖1.1 系統結構圖

系統工作流程

系統的工作流程主要分為自我學(xué)習過(guò)程和掃雷過(guò)程，該過(guò)程由PC端的初始化程序輔助完成。

圖2.1 系統工作流程圖

掃雷過(guò)程：

在介紹自我學(xué)習過(guò)程之前我們先介紹主要的掃雷過(guò)程，掃雷過(guò)程的流程圖如圖2.2所示。

圖2.2 掃雷過(guò)程流程圖

方塊分割過(guò)程：

攝像頭對電腦屏幕捕獲圖像之后進(jìn)行一些必要的圖像預處理（濾波、均衡化等），然后判斷是否是第一次掃雷。如果是第一次掃雷則要進(jìn)行邊緣檢測和圖像分割等處理，這樣做的目的是我們要分離出雷區的每一個(gè)方塊，用于后面對每個(gè)方塊類(lèi)型進(jìn)行判斷。在獲取各個(gè)方塊的坐標之后進(jìn)行存儲操作，之后的處理就可以不再進(jìn)行方塊的分割操作了。下圖是通過(guò)直接對屏幕進(jìn)行截圖之后在Matlab中對截圖進(jìn)行的邊緣檢測（sobel）結果。

圖2.3 原始圖像

圖2.4 灰度圖像

圖2.5 邊緣檢測結果圖

圖2.6 邊緣檢測結果局部放大圖

從上面的結果圖來(lái)看效果是可以接受的，在對邊緣檢測的結果在進(jìn)行相應的形態(tài)學(xué)操作之后再進(jìn)行相應的處理和分析就可以得到各個(gè)方塊的坐標信息。

決策過(guò)程：

決策過(guò)程首先是要確定各個(gè)方塊的類(lèi)型，我們利用方塊分割過(guò)程確定的方塊坐標信息將每個(gè)方塊與9（還是10）種方塊類(lèi)型的圖像進(jìn)行對比，通過(guò)它們的相似程度來(lái)確定該方塊的類(lèi)型。例如2.7圖中的最右下角的方塊是 ，我們使用 、 、 等方塊類(lèi)型與之比較，通過(guò)對比最右下角方塊與各個(gè)確定類(lèi)型方塊的相關(guān)系數的大小來(lái)判斷該未知方塊的類(lèi)型。也可以使用顏色信息等其它方式來(lái)判斷類(lèi)型不確定方塊的類(lèi)型。在方塊類(lèi)型確定之后，問(wèn)題就變得簡(jiǎn)單了，我們只需要利用已知的信息結合游戲規則來(lái)推斷哪些方塊是地雷。然后用機械手臂控制鼠標完成掃雷游戲。在完成一幅圖像的所有操作后繼續采集下一幅圖像重復以上工作，在每判斷出每一個(gè)地雷的時(shí)候系統都會(huì )記錄下來(lái)，當記錄的地雷數達到了游戲的所有地雷數時(shí)系統會(huì )自動(dòng)退出。

也許會(huì )遇到無(wú)法判斷的情況，為了避免出現死循環(huán)系統將會(huì )采取隨機的方式處理，這時(shí)就得看機器人的運氣如何了。