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機(jī)器人與人類的Connect 4游戲項(xiàng)目

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資料介紹

描述

背景

這個(gè)項(xiàng)目是一個(gè)機(jī)器人與人類的 Connect 4 游戲，人類在物理游戲板上玩機(jī)器人，就像他們?cè)谕媪硪粋€(gè)玩家一樣。

第 2 步：測(cè)試組件

我測(cè)試的第一個(gè)組件是 16x2 字符 LCD 顯示器。接線非常簡單，但我必須安裝 adafruit_charac ter_lcd.character_lcd 庫才能連接到顯示器。電位器控制顯示器的對(duì)比度。

接下來我開始連接步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)將通過皮帶和滑輪或線性致動(dòng)器（當(dāng)前原型使用步進(jìn)電機(jī)控制線性滑軌）沿著 Connect 4 板的頂部將滴管移動(dòng)到右柱。我使用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以便更輕松地控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要 5V 輸入才能對(duì)其進(jìn)行控制，但 PocketBeagle 只能輸出 3.3V。我使用邏輯電平轉(zhuǎn)換器將信號(hào)從 3.3V 轉(zhuǎn)換為 5V。我使用外部電源（5V，2A）為步進(jìn)電機(jī)供電。接線很簡單，我從 https://github.com/petebachant/BBpystepper 找到了一些測(cè)試代碼。

接下來我連接了 360 度連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)。伺服電機(jī)將用于碎片滴管，將一塊碎片放入右列（事后看來，選擇連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服是一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樗奈恢镁群涂刂撇患眩?/font>伺服電機(jī)還需要 5V 電源，我通過 PocketBeagle 的 PWM 引腳控制伺服電機(jī)。我使用了我的導(dǎo)師 Eric Welsh 的伺服電機(jī)測(cè)試代碼。

最后要連接的硬件是 USB 攝像頭。連接相機(jī)需要將 VB 和 VI 以及 ID 和 GND 引腳連接（我只是將它們焊接在一起）。為了測(cè)試相機(jī)，我在終端中使用了一些基本代碼：

python3
>>> import cv2
>>> cap = cv2.VideoCapture(0)
>>> ret, frame = cap.read()
>>> cv2.imwrite("temp.jpg", frame)

我為項(xiàng)目的這個(gè)階段創(chuàng)建了一個(gè)自定義 PCB：https://github.com/SMSARVER/ENGI301/tree/main/Project_2

第 3 步：OpenCV 代碼

編寫 OpenCV 代碼是該項(xiàng)目中最具挑戰(zhàn)性的部分。我開始編寫代碼來處理 Connect 4 板的圖像，然后修改它以處理來自我的 USB 相機(jī)的照片。我在游戲板后面放了一個(gè)綠色背景，以便更容易檢測(cè)到開放空間。該程序?yàn)槠灞P拍照并輸出一個(gè) 6x7 數(shù)組（主要游戲代碼用來表示棋盤的數(shù)組），其中包含棋盤上每個(gè)空間的值。我使用了一個(gè)名為 HoughCircles 的 OpenCV 函數(shù)來檢測(cè)原始圖像上的所有圓圈，并查看每個(gè)圓圈中心像素的顏色。這將創(chuàng)建一個(gè)圓圈數(shù)組及其顏色，然后我根據(jù)它們?cè)趫D像中的 y 和 x 位置對(duì)其進(jìn)行排序以創(chuàng)建 6x7 數(shù)組。下面是檢測(cè)圖像上紅色圓圈的代碼照片。

第 4 步：選擇更好的電機(jī)

在項(xiàng)目的這一點(diǎn)上，我確定使用預(yù)先構(gòu)造的線性致動(dòng)器而不是自己設(shè)計(jì)是最好的節(jié)省時(shí)間并專注于我更感興趣的項(xiàng)目部分。下圖顯示了 NEMA 23 步進(jìn)電機(jī)連接到線性滑軌。該解決方案可實(shí)現(xiàn)極高的定位精度和不錯(cuò)的速度（大約 1 英寸/秒的行進(jìn)速度）。事后看來，這款電機(jī)對(duì)我的應(yīng)用來說太過分了。

我使用 Adafruit_BBIO.GPIO 庫編寫了一個(gè)腳本來控制線性執(zhí)行器上的滴管位置。

第 5 步：設(shè)計(jì) Piece Dropper

我需要想出一種方法來存儲(chǔ) 21 個(gè) Connect 4 棋子，并一次可靠地將它們釋放到游戲板頂部的狹窄縫隙中。我想到的一個(gè)簡單的設(shè)計(jì)是把所有的零件都堆在一個(gè)管子里，然后用球棒敲掉底部的那塊。我使用連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)來旋轉(zhuǎn)球棒，將球棒推過漏斗并推到棋盤上。測(cè)試這個(gè)機(jī)制后，我意識(shí)到連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)沒有我需要的位置精度。90% 的時(shí)間它會(huì)旋轉(zhuǎn) 180 度以掉落一件，但有時(shí)它會(huì)旋轉(zhuǎn)太多或太少，從而掉落兩件或不掉落任何一件。我計(jì)劃將來在這個(gè)應(yīng)用中使用步進(jìn)電機(jī)。

第 6 步：設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

我想要一個(gè)將線性致動(dòng)器固定在游戲板上方的結(jié)構(gòu)，為電子設(shè)備提供空間，并將相機(jī)和燈光定位在最佳位置。我選擇用塑料制作我的項(xiàng)目，因?yàn)樗苋菀资褂茫ūM管選擇丙烯酸是一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)樗艽啵?/font>我買了一個(gè)塑料底座，并在邊緣安裝了兩個(gè)厚塑料管以支撐線性致動(dòng)器。我 3D 打印了安裝座，然后敲擊塑料并使用螺栓將其固定。第二張塑料片和第二根管子將相機(jī)和燈定位在游戲板的前面。

我為線性致動(dòng)器、限位開關(guān)、相機(jī)和燈設(shè)計(jì)了 3D 打印支架。我必須非常仔細(xì)地測(cè)量，才能讓所有東西都放在正確的位置。

第 7 步：限位開關(guān)

限位開關(guān)對(duì)于安全和位置精度很重要。我的機(jī)器人在線性致動(dòng)器的兩側(cè)使用兩個(gè)限位開關(guān)來檢測(cè)滴管何時(shí)脫離軌道（雙關(guān)語）。我還使用限位開關(guān)在正確的位置開始每個(gè)游戲（機(jī)器人通過按下限位開關(guān)開始游戲，并且知道開關(guān)到游戲板上的柱子的距離，它可以準(zhǔn)確地移動(dòng)到那里）。

接線：

目前我的接線是面包板上的鳥巢，但我可以制作 PCB 或創(chuàng)建電線管理系統(tǒng)。在更換電機(jī)之前，我為該項(xiàng)目的先前版本設(shè)計(jì)了 PCB：https://github.com/SMSARVER/ENGI301/tree/main/Project_2

這張顯示 PocketBeagle 引腳的圖片將有助于接線：

圖像中的內(nèi)部引腳對(duì)應(yīng)于 PocketBeagle 上的內(nèi)部引腳

液晶顯示器：

LCD_VSS 至 P2_15（接地）

LCD_VDD 到 P2_13 (v_out)

LCD_V0 到電位器中心引腳

LCD_RS 到 P2_10

LCD_RW 至 P2_15

LCD_E 至 P2_17

LCD_D4 至 P2_2

LCD_D5 至 P2_4

LCD_D6 至 P2_6

LCD_D7 至 P2_8

LCD_A 到 P2_13

LCD_K 至 P2_15

電位器右引腳到 P2_13

電位器左側(cè)引腳連接到 P2_15（可以交換電位器上的 P2_13 和 P2_15）

USB相機(jī)

P1_5 至 P1_7

P1_13 至 P1_15

P1_7 到 USB_VCC

P1_9 轉(zhuǎn) USB_D-

P1_11 轉(zhuǎn) USB_D+

P1_13 到 USB_ID

USB_ID 到 USB_GND

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（SMD），連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服器（CRS ），電源5V （PS5），電源30V（PS30）：

CRS_- 到 P2_15

CRS_+ 到 P2_13

CRS_PWM 到 P1_36

PS5_- 至 P2_15

PS5_+ 至 P2_13

PS30_+ 轉(zhuǎn) SMD_VCC

PS30_- 到 SMD_GND

SMD_DIR- 到 P2_15

SMD_PUL- 到 P2_15

SMD_DIR+ 到 P2_24

SMD_PUL+ 到 P2_22

步進(jìn)電機(jī)：

測(cè)試步進(jìn)電機(jī)的四根電線是否連續(xù)。一對(duì)連接到 A+/A-，另一對(duì)連接到 B+/B-。對(duì)于我的電機(jī)，藍(lán)色是 A+，黃色是 A-，綠色是 B+，紅色是 B-。

限位開關(guān)：

我使用兩個(gè)限位開關(guān)，LIM1（左）和 LIM2（右）以及電纜 A 和 B。未按下時(shí)開關(guān)具有連續(xù)性。我選擇以這種方式連接開關(guān)，這樣如果電纜斷開連接，我就能立即注意到問題。

LIM1_A 至 P2_15

LIM2_A 至 P2_15

LIM1_B 到 P1_2

LIM2_B 到 P1_4

連接 LIM1_B 到 P2_13 的 1K 歐姆電阻

將 LIM2_B 連接到 P2_13 的 1K 歐姆電阻（必須使用單獨(dú)的電阻）

查看更多接線照片以幫助您：

。

GitHub: https://github.com/SMSARVER/ENGI301/tree/main/connect4

3D 打印部件的 CAD 文件：

如需 CAD 文件，請(qǐng)發(fā)送電子郵件至 rice dot edu 的 sms27。

限位開關(guān)和線性執(zhí)行器支持：

滴管、蝙蝠和漏斗：

相機(jī)和燈光支持：

后續(xù)步驟和改進(jìn)：

我計(jì)劃通過整理電線、進(jìn)行小的改進(jìn)以及解決機(jī)械和軟件問題來改進(jìn)功能齊全的機(jī)器人。我還想使用“cron”讓我的項(xiàng)目在 PocketBeagle 啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)。這樣，我的機(jī)器人就可以完全獨(dú)立了。

計(jì)劃改進(jìn)清單：

制作接線圖
落片機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)（定位精度）
使用磁性限位開關(guān)而不是柱塞限位開關(guān)（為了更高的精度。柱塞限位開關(guān)在接觸時(shí)稍微彎曲塑料，因此磁性限位開關(guān)會(huì)完全消除接觸。）
添加按鈕和重新定位屏幕以創(chuàng)建用戶界面
創(chuàng)建電線管理系統(tǒng)和更新的自定義 PCB
改進(jìn)機(jī)器人的算法，使其幾乎無敵
使機(jī)器人完全獨(dú)立，無需連接計(jì)算機(jī)即可運(yùn)行