基于FPGA的掃雷機(jī)器人軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能簡介

系統(tǒng)主要由三部分組成：

1、PC端的用于完成系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)的初始化程序。

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

3、機(jī)械手臂。

PC端初始化程序：

在系統(tǒng)開始進(jìn)入游戲之前，初始化程序會配合嵌入式系統(tǒng)在電腦顯示屏上生成相應(yīng)的與掃雷游戲相關(guān)的圖案，輔助系統(tǒng)完成自我學(xué)習(xí)過程。

決策模塊：

這部分是系統(tǒng)的核心部分，主要由FPGA、攝像頭等其它必要的外圍設(shè)備組成，完成對電腦屏幕的圖像采集，然后利用OPENCV或者Simulink編寫的算法對圖像進(jìn)行處理，并根據(jù)游戲規(guī)則模擬人類的思維做出決策，這些決策包括對游戲中的哪個(gè)雷區(qū)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(jī)械手臂。

機(jī)械手臂：

機(jī)械手臂的工作比較簡單，包括對鼠標(biāo)位置的精確移動，完成對鼠標(biāo)按鍵的操作（單擊、雙擊等）。機(jī)械手臂對鼠標(biāo)進(jìn)行控制來完成游戲，就像人控制鼠標(biāo)一樣。

圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作流程

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

圖2.1 系統(tǒng)工作流程圖

掃雷過程：

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

圖2.2 掃雷過程流程圖

方塊分割過程：

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(yù)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(qū)的每一個(gè)方塊，用于后面對每個(gè)方塊類型進(jìn)行判斷。在獲取各個(gè)方塊的坐標(biāo)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(jié)果。

圖2.3 原始圖像

圖2.4 灰度圖像

圖2.5 邊緣檢測結(jié)果圖

圖2.6 邊緣檢測結(jié)果局部放大圖

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

決策過程：

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

也許會遇到無法判斷的情況，為了避免出現(xiàn)死循環(huán)系統(tǒng)將會采取隨機(jī)的方式處理，這時(shí)就得看機(jī)器人的運(yùn)氣如何了。