基于CubeExplorer的魔方机器人视觉及电控部分的坐标转换问题_cube explorer

3.2通信部分

3.2.1 设置Cube Explorer

点击选项，打开网络服务。

图 3-3 网络服务

并设置端口号为8081后程序会自动运行并将数据传递给下位机。

图 3-4 设置端口号

4软件技术介绍

4.1识别部分

本二轴魔方机器人利用四个单目摄像头进行图像识别，如图4-1所示。由上位机OpenCV读取摄像头采集到的图像，采集魔方颜色。

图 4-1识别成功控制台输出

​ 同时采集六面图像数据，夹爪采用亚克力板的透明设计可获54块颜色数据，直接完成魔方状态数据获取。

4.2 图像解析

​ 摄像头直接获取的图像为BGR格式，由互不干扰的三原色通道数据构成，其源自一定光强下的特殊光波，而在不稳定的光照强度下，每一通道数据都将产生未知变化，影响颜色读取准确度。

​ 但通过降低摄像头曝光度以及选择环形灯进行补光，令光照强度达到预定范围，可完成，再通过深度学习建立CNN模型，进行色彩识别，也使得色彩识别程序更具有泛化性，提高整体鲁棒性。

​ 上下摄像头获取图像为相互成90度的两个魔方面，因距离及光照缘故，若直接圈定区域识别成功几率较低，对畸变图像进行透视变换，如图4-2所示，同时由延展方向，补偿光强，降低外部影响，提高稳定性，基本达成识别目标。

图 4-2上方摄像头透视图

4.3 算法设计

​ 为完成整体解析算法，选择C++作为主体运算平台，同时由OpenCV库完成图像矫正及定位，然后通过深度学习识别色块，将色块按顺序发送给cubeExploer，得到还原步骤，将其通过坐标转换转为机械步骤后，通过串口将结果发送至单片机STM32，由下位机完成魔方还原，其总体时间约为7-9s。

4.3.1 坐标转换

1.从摄像头到Cube Explorer

​ 由于所使用的Cube Explorer软件有固定的输入要求如下：

​ http://127.0.0.1:8081 /?bdrfuululululrddrubbflfbdbbfdrrdbdurlrudlffurfrdfblbfl，其中的udfblr分别对应up，down，front，back，left，right，也就是魔方。

​ 例子如下图：

​ （http://127.0. 0.1:8081/?bdrfuululululrddrubbflfbdbbfdrrdbdurlrudlffurfrdfblbfl）在“？”之前的内容都会被程序忽略。在图4-3所示的例子里，由于U面的中心块是蓝色的，因此所有的蓝色色片所在的位置都应用“u”来表示。

图4-3 Cube Explorer所需序列

按照up => right =>front => down => left => back的顺序进行序列编写，每个面的色块都是从第一排到最后一排，每一排从左到右排序的，我们详细的用up（1）这个面（如图4-4）做解释：

顺序为：白色 => 绿色 => 红色 => 黄色 => 蓝色 => 蓝色 => 橘色 => 蓝色 => 橘色，根据上面我们讲过的颜色与面色对应关系【蓝（u）、绿（d）、黄（f）、白（b）、橙（l）和红（r）】可知，该序列为bdrfuulul。

图4-4 网络服务所需色块排列顺序

那么如何将我们从摄像头获取到的色块的颜色与Cube Explorer所需的色块序列对应起来呢？通过我们获取的中心色块来判断。

假如中心色块的颜色为蓝色，那么他对应Cube Explorer的up面，我们就将该面我们识别到的九个颜色作为up面的色彩序列。

2.从Cube Explorer到机械步骤

图 4-5上方摄像头透视图

从上图可知，我们的摄像头上方有两个面：

我们分别命名为up left和up right，摄像头下方有模仿的两个面，我们分别命名为 down left 和down right，前后两个面分别命名为front和behind，他们与Cube Explorer的面的对应关系如下图：

图 4-6算法命名与Cube Explorer的对应表

图 4-7 电控与视觉对应表

​ http://127.0.0.1:8081/?bdrfuululululrddrubbflfbdbbfdrrdbdurlrudlffurfrdfblbfl数据传递给Cube Explorer后我们可以得到其给的求解序列如下：U2BU2L2DL’B’D’L’B2D’BUD’F2U’L2U’F2UF2(21f)。

​ 以U，U2，U’为例子，U表示魔方的上层顺时针旋转90度，U2表示旋转180度，U’表示逆时针旋转90度。因此我们需要获得电控如何进行上转90，上转180和逆时针转90，因此我们列出该对应表如上图。
需要注意的是，图4-7描述的内容，相当于魔方坐标转换的过程。可将上图转换为哈希表来简化运算。

4.3.3 机械解法计算

（1）.二阶段算法解魔方：

在第一阶段，找一个角块和棱块的色向会被限制，且原本属于 UD 夹层的棱块 必须被转至该夹层上的目标状态。

在第二阶段，算法通过执行被允许的转动，将已属于 G1 子群的魔方还原。解法将还原位于U 面和D面的8个角块、8个棱块的位置，以及 UD 夹层中四个棱块的位置。启发式函数 h2（x，y，z）仅估计到达还原态所需的步数，因为 G1 群中的非常多。 当算法找到第一个完整解法后并不会立即停止运算，而是对第一阶段其他非最佳（最少步）解法进行第二阶段运算。当第二阶段的 步数达到 0 时，完整解法便是最少步解法，算法至此停止运行。

（2）.坐标转换和剪枝算法以及数据库解决机械步骤转换：

整体使用坐标转换解决机械步骤转换，我们将24种魔方状态，3种机械臂状态以及18种的旋转方式进行求解。

4.3.4 魔方还原

下位机采用STM32作为主控，控制电机及电磁铁，完成魔方还原。其可通过外部串口与上位机通讯，接受执行指令并完成。魔方还原基本步骤：