树莓派视觉小车 -- 小球追踪（颜色追踪）（OpenCV色彩空间HSV）效果展示基础理论（HSV）一、初始化二、运动函数三、舵机控制四、在HSV空间下获取二值图五、图像处理（总）六、运动控制总代码

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我是靠谱客的博主愉快火，这篇文章主要介绍树莓派视觉小车 -- 小球追踪（颜色追踪）（OpenCV色彩空间HSV）效果展示基础理论（HSV）一、初始化二、运动函数三、舵机控制四、在HSV空间下获取二值图五、图像处理（总）六、运动控制总代码，现在分享给大家，希望可以做个参考。

效果展示

基础理论（HSV）

为什么用HSV空间而不是RGB空间？

HSV

1、Hue（色相）

2、Value（明度）

3、Saturation（饱和度）

一、初始化

滑动条初始化

1、创建回调函数

2、窗口设置（名称）

3、滑动条设置

代码

二、运动函数

三、舵机控制

四、在HSV空间下获取二值图

1、获取滑动条的值

2、转HSV（三通道：H、S、V）

3、转二值图（单通道阈值处理）

4、结合HSV三个通道，得到最终二值图

代码

五、图像处理（总）

1、打开摄像头

2、获取HSV色彩空间得到的二值图

3、高斯滤波

4、开运算去噪

5、闭运算

6、霍夫圆检测

原理

API

6-1、霍夫圆检测

6-2、获取圆心和半径坐标

6-3、画圆

代码

六、运动控制

总代码

效果展示

基础理论（HSV）

为什么用HSV空间而不是RGB空间？

因为RGB通道并不能很好地反映出物体具体的颜色信息。

而HSV空间能够非常直观的表达色彩的明暗、色调、以及鲜艳程度，方便进行颜色之间的对比。

（RGB受光线影响很大，所以采取HSV）

这里用HSV的目的：得到合适的二值图。

HSV

Hue（H）：色调、色相（具体的颜色）

Saturation（S）：饱和度、色彩纯净度

Value（V）：明度

Hue范围是[0,179]，饱和范围是[0,255]，值范围是[0,255]

（写代码的时候，犯了蠢错误：把3个都设成了179，发现死活调不对）

1、Hue（色相）

Hue：色相（具体的颜色）

2、Value（明度）

明度：色彩的明亮程度，单通道亮度（并不等同于整体发光量）。

（明度越高越白，越低越黑，一般提高明度会同时提高R、G、B三通道的数值）

3、Saturation（饱和度）

Saturation：饱和度、色彩纯度（越低越灰，越高越纯） 。

（一般调高饱和度会降低RGB中相对较低的数值，凸显主要颜色的纯度。）

B站视频讲解：

短动画慢语速1分钟讲清影视调色中色彩形成原理基础——RGB与HSV

一、初始化

滑动条初始化

这次的初始化，除了电机、舵机、窗口等等的初始化，还有滑动条的初始设置。

在创建滑动条之前：

1、需要设置窗口名称，不然窗口都没有，自然也就无法设置滑动条了。

2、创建回调函数。

1、创建回调函数

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def nothing(*arg):
    pass

2、窗口设置（名称）

复制代码

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def Trackbar_Init():
    # 1 create windows
    cv2.namedWindow('h_binary')
    cv2.namedWindow('s_binary')
    cv2.namedWindow('v_binary')

3、滑动条设置

复制代码

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# 2 Create Trackbar
    cv2.createTrackbar('hmin', 'h_binary', 6, 179, nothing)  
    cv2.createTrackbar('hmax', 'h_binary', 26, 179, nothing)  
    cv2.createTrackbar('smin', 's_binary', 110, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('smax', 's_binary', 255, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('vmin', 'v_binary', 140, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('vmax', 'v_binary', 255, 255, nothing)
    #   创建滑动条     滑动条值名称 窗口名称   滑动条值 滑动条阈值 回调函数

代码

复制代码

def Motor_Init():
    global L_Motor, R_Motor
    L_Motor= GPIO.PWM(l_motor,100)
    R_Motor = GPIO.PWM(r_motor,100)
    L_Motor.start(0)
    R_Motor.start(0)

def Direction_Init():
    GPIO.setup(left_back,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(left_front,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(l_motor,GPIO.OUT)
    
    GPIO.setup(right_front,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(right_back,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(r_motor,GPIO.OUT)

def Servo_Init():
    global pwm_servo
    pwm_servo=Adafruit_PCA9685.PCA9685()

def Trackbar_Init():
    # 1 create windows
    cv2.namedWindow('h_binary')
    cv2.namedWindow('s_binary')
    cv2.namedWindow('v_binary')
    # 2 Create Trackbar
    cv2.createTrackbar('hmin', 'h_binary', 6, 179, nothing)  
    cv2.createTrackbar('hmax', 'h_binary', 26, 179, nothing)  
    cv2.createTrackbar('smin', 's_binary', 110, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('smax', 's_binary', 255, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('vmin', 'v_binary', 140, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('vmax', 'v_binary', 255, 255, nothing)
    #   创建滑动条     滑动条值名称 窗口名称   滑动条值 滑动条阈值 回调函数

def Init():
    GPIO.setwarnings(False) 
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    Direction_Init()
    Servo_Init()
    Motor_Init()
    Trackbar_Init()

# 回调函数
def nothing(*arg):
    pass

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def Motor_Init():
    global L_Motor, R_Motor
    L_Motor= GPIO.PWM(l_motor,100)
    R_Motor = GPIO.PWM(r_motor,100)
    L_Motor.start(0)
    R_Motor.start(0)


def Direction_Init():
    GPIO.setup(left_back,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(left_front,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(l_motor,GPIO.OUT)
    
    GPIO.setup(right_front,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(right_back,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(r_motor,GPIO.OUT)


def Servo_Init():
    global pwm_servo
    pwm_servo=Adafruit_PCA9685.PCA9685()


def Trackbar_Init():
    # 1 create windows
    cv2.namedWindow('h_binary')
    cv2.namedWindow('s_binary')
    cv2.namedWindow('v_binary')
    # 2 Create Trackbar
    cv2.createTrackbar('hmin', 'h_binary', 6, 179, nothing)  
    cv2.createTrackbar('hmax', 'h_binary', 26, 179, nothing)  
    cv2.createTrackbar('smin', 's_binary', 110, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('smax', 's_binary', 255, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('vmin', 'v_binary', 140, 255, nothing)
    cv2.createTrackbar('vmax', 'v_binary', 255, 255, nothing)
    #   创建滑动条     滑动条值名称 窗口名称   滑动条值 滑动条阈值 回调函数


def Init():
    GPIO.setwarnings(False) 
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    Direction_Init()
    Servo_Init()
    Motor_Init()
    Trackbar_Init()


# 回调函数
def nothing(*arg):
    pass

二、运动函数

常规操作：向前、向后、向左、向右、停止。

复制代码

def Front(speed):
    L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(left_front,1)   #left_front
    GPIO.output(left_back,0)    #left_back

R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(right_front,1)  #right_front
    GPIO.output(right_back,0)   #right_back
     
    
def Back(speed):
    L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(left_front,0)   #left_front
    GPIO.output(left_back,1)    #left_back

R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(right_front,0)  #right_front
    GPIO.output(right_back,1)   #right_back

def Left(speed):
    L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(left_front,0)   #left_front
    GPIO.output(left_back,1)    #left_back

R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(right_front,1)  #right_front
    GPIO.output(right_back,0)   #right_back

def Right(speed):
    L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(left_front,1)   #left_front
    GPIO.output(left_back,0)    #left_back

R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(right_front,0)  #right_front
    GPIO.output(right_back,1)   #right_back

def Stop():
    L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
    GPIO.output(left_front,0)   #left_front
    GPIO.output(left_back,0)    #left_back

R_Motor.ChangeDutyCycle(0)
    GPIO.output(right_front,0)  #right_front
    GPIO.output(right_back,0)   #right_back

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def Front(speed):
    L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(left_front,1)   #left_front
    GPIO.output(left_back,0)    #left_back

    R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(right_front,1)  #right_front
    GPIO.output(right_back,0)   #right_back
     
    
def Back(speed):
    L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(left_front,0)   #left_front
    GPIO.output(left_back,1)    #left_back

    R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(right_front,0)  #right_front
    GPIO.output(right_back,1)   #right_back


def Left(speed):
    L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(left_front,0)   #left_front
    GPIO.output(left_back,1)    #left_back

    R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(right_front,1)  #right_front
    GPIO.output(right_back,0)   #right_back


def Right(speed):
    L_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(left_front,1)   #left_front
    GPIO.output(left_back,0)    #left_back

    R_Motor.ChangeDutyCycle(speed)
    GPIO.output(right_front,0)  #right_front
    GPIO.output(right_back,1)   #right_back


def Stop():
    L_Motor.ChangeDutyCycle(0)
    GPIO.output(left_front,0)   #left_front
    GPIO.output(left_back,0)    #left_back

    R_Motor.ChangeDutyCycle(0)
    GPIO.output(right_front,0)  #right_front
    GPIO.output(right_back,0)   #right_back

三、舵机控制

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def set_servo_angle(channel,angle):
    angle=4096*((angle*11)+500)/20000
    pwm_servo.set_pwm_freq(50)                #frequency==50Hz (servo)
    pwm_servo.set_pwm(channel,0,int(angle))

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set_servo_angle(4, 110)     #top servo     lengthwise
    #0:back    180:front    
    set_servo_angle(5, 90)     #bottom servo  crosswise
    #0:left    180:right

四、在HSV空间下获取二值图

1、获取滑动条的值

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# 1 get trackbar's value
    hmin = cv2.getTrackbarPos('hmin', 'h_binary')
    hmax = cv2.getTrackbarPos('hmax', 'h_binary')
    smin = cv2.getTrackbarPos('smin', 's_binary')
    smax = cv2.getTrackbarPos('smax', 's_binary')
    vmin = cv2.getTrackbarPos('vmin', 'v_binary')
    vmax = cv2.getTrackbarPos('vmax', 'v_binary')

2、转HSV（三通道：H、S、V）

复制代码

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# 2 to HSV
    hsv = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)
    cv2.imshow('hsv', hsv)
    h, s, v = cv2.split(hsv)

3、转二值图（单通道阈值处理）

分别对H、S、V三个道阈值处理：

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# 3 set threshold (binary image)
    # if value in (min, max):white; otherwise:black
    h_binary = cv2.inRange(np.array(h), np.array(hmin), np.array(hmax))
    s_binary = cv2.inRange(np.array(s), np.array(smin), np.array(smax))
    v_binary = cv2.inRange(np.array(v), np.array(vmin), np.array(vmax))

# 5 Show
    cv2.imshow('h_binary', h_binary)
    cv2.imshow('s_binary', s_binary)
    cv2.imshow('v_binary', v_binary)

4、结合HSV三个通道，得到最终二值图

对H、S、V三个通道与操作。（H&&S&&V）

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# 4 get binary
    binary = cv2.bitwise_and(h_binary, cv2.bitwise_and(s_binary, v_binary))

代码

复制代码

# 在HSV色彩空间下得到二值图
def Get_HSV(image):
    # 1 get trackbar's value
    hmin = cv2.getTrackbarPos('hmin', 'h_binary')
    hmax = cv2.getTrackbarPos('hmax', 'h_binary')
    smin = cv2.getTrackbarPos('smin', 's_binary')
    smax = cv2.getTrackbarPos('smax', 's_binary')
    vmin = cv2.getTrackbarPos('vmin', 'v_binary')
    vmax = cv2.getTrackbarPos('vmax', 'v_binary')
    
    # 2 to HSV
    hsv = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)
    cv2.imshow('hsv', hsv)
    h, s, v = cv2.split(hsv)
    
    # 3 set threshold (binary image)
    # if value in (min, max):white; otherwise:black
    h_binary = cv2.inRange(np.array(h), np.array(hmin), np.array(hmax))
    s_binary = cv2.inRange(np.array(s), np.array(smin), np.array(smax))
    v_binary = cv2.inRange(np.array(v), np.array(vmin), np.array(vmax))
    
    # 4 get binary（对H、S、V三个通道分别与操作）
    binary = cv2.bitwise_and(h_binary, cv2.bitwise_and(s_binary, v_binary))
    
    # 5 Show
    cv2.imshow('h_binary', h_binary)
    cv2.imshow('s_binary', s_binary)
    cv2.imshow('v_binary', v_binary)
    cv2.imshow('binary', binary)
    
    return binary

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# 在HSV色彩空间下得到二值图
def Get_HSV(image):
    # 1 get trackbar's value
    hmin = cv2.getTrackbarPos('hmin', 'h_binary')
    hmax = cv2.getTrackbarPos('hmax', 'h_binary')
    smin = cv2.getTrackbarPos('smin', 's_binary')
    smax = cv2.getTrackbarPos('smax', 's_binary')
    vmin = cv2.getTrackbarPos('vmin', 'v_binary')
    vmax = cv2.getTrackbarPos('vmax', 'v_binary')
    
    # 2 to HSV
    hsv = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)
    cv2.imshow('hsv', hsv)
    h, s, v = cv2.split(hsv)
    
    # 3 set threshold (binary image)
    # if value in (min, max):white; otherwise:black
    h_binary = cv2.inRange(np.array(h), np.array(hmin), np.array(hmax))
    s_binary = cv2.inRange(np.array(s), np.array(smin), np.array(smax))
    v_binary = cv2.inRange(np.array(v), np.array(vmin), np.array(vmax))
    
    # 4 get binary（对H、S、V三个通道分别与操作）
    binary = cv2.bitwise_and(h_binary, cv2.bitwise_and(s_binary, v_binary))
    
    # 5 Show
    cv2.imshow('h_binary', h_binary)
    cv2.imshow('s_binary', s_binary)
    cv2.imshow('v_binary', v_binary)
    cv2.imshow('binary', binary)
    
    return binary

五、图像处理（总）

1、打开摄像头

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# 1 Capture the frames
    ret, frame = camera.read()
    image = frame
    cv2.imshow('frame', frame)

2、获取HSV色彩空间得到的二值图

（Get_HSV(frame)其实就是步骤四的HSV处理）

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# 2 get HSV
    binary = Get_HSV(frame)

3、高斯滤波

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# 3 Gausi blur
    blur = cv2.GaussianBlur(binary,(9,9),0)

4、开运算去噪

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# 4 Open
    kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (9,9))
    Open = cv2.morphologyEx(blur, cv2.MORPH_OPEN, kernel)
    cv2.imshow('Open',Open)

5、闭运算

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# 5 Close
    Close = cv2.morphologyEx(Open, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)
    cv2.imshow('Close',Close)

6、霍夫圆检测

原理

霍夫变换圆检测是基于图像梯度实现：

圆心检测的原理︰圆心是圆周法线的交汇处，设置一个阈值，在某点的相交的直线的条数大于这个阈值就认为该交汇点为圆心。
圆半径确定原理：圆心到圆周上的距离〔半径）是相同的，设置一个阈值，只要相同距离的数量大于该阈值，就认为该距离是该圆心的半径。

API
复制代码def HoughCircles(image: Any, method: Any, dp: Any, minDist: Any, circles: Any = None, param1: Any = None, param2: Any = None, minRadius: Any = None, maxRadius: Any = None) -> None
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def HoughCircles(image: Any,
                 method: Any,
                 dp: Any,
                 minDist: Any,
                 circles: Any = None,
                 param1: Any = None,
                 param2: Any = None,
                 minRadius: Any = None,
                 maxRadius: Any = None) -> None
参数：

第二个参数，int类型的method，即使用的检测方法，目前OpenCV中就霍夫梯度法一种可以使用，它的标识符为CV_HOUGH_GRADIENT，在此参数处填这个标识符即可。
第三个参数，double类型的dp，用来检测圆心的累加器图像的分辨率于输入图像之比的倒数，且此参数允许创建一个比输入图像分辨率低的累加器。上述文字不好理解的话，来看例子吧。例如，如果dp= 1时，累加器和输入图像具有相同的分辨率。如果dp=2，累加器便有输入图像一半那么大的宽度和高度。
第四个参数，double类型的minDist，为霍夫变换检测到的圆的圆心之间的最小距离，即让我们的算法能明显区分的两个不同圆之间的最小距离。这个参数如果太小的话，多个相邻的圆可能被错误地检测成了一个重合的圆。反之，这个参数设置太大的话，某些圆就不能被检测出来了。
第五个参数，InputArray类型的circles，经过调用HoughCircles函数后此参数存储了检测到的圆的输出矢量，每个矢量由包含了3个元素的浮点矢量(x, y, radius)表示。
第六个参数，double类型的param1，有默认值100。它是第三个参数method设置的检测方法的对应的参数。对当前唯一的方法霍夫梯度法CV_HOUGH_GRADIENT，它表示传递给canny边缘检测算子的高阈值，而低阈值为高阈值的一半。
第七个参数，double类型的param2，也有默认值100。它是第三个参数method设置的检测方法的对应的参数。对当前唯一的方法霍夫梯度法CV_HOUGH_GRADIENT，它表示在检测阶段圆心的累加器阈值。它越小的话，就可以检测到更多根本不存在的圆，而它越大的话，能通过检测的圆就更加接近完美的圆形了。
第八个参数，int类型的minRadius,有默认值0，表示圆半径的最小值。
第九个参数，int类型的maxRadius,也有默认值0，表示圆半径的最大值。

6-1、霍夫圆检测

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# 6 Hough Circle detect
    circles = cv2.HoughCircles(Close,cv2.HOUGH_GRADIENT,2,120,param1=120,param2=20,minRadius=20,maxRadius=0)
    #                                                                     param2:决定圆能否被检测到（越少越容易检测到圆，但相应的也更容易出错）

6-2、获取圆心和半径坐标

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# 1 获取圆的圆心和半径
        x, y, r = int(circles[0][0][0]),int(circles[0][0][1]),int(circles[0][0][2])
        print(x, y, r)

6-3、画圆

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# 2 画圆
        cv2.circle(image, (x, y), r, (255,0,255),5)
        cv2.imshow('image', image)

代码

复制代码

# 图像处理
def Image_Processing():
    global h, s, v
    # 1 Capture the frames
    ret, frame = camera.read()
    image = frame
    cv2.imshow('frame', frame)
    
    # 2 get HSV
    binary = Get_HSV(frame)
    
    # 3 Gausi blur
    blur = cv2.GaussianBlur(binary,(9,9),0)
    
    # 4 Open
    kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (9,9))
    Open = cv2.morphologyEx(blur, cv2.MORPH_OPEN, kernel)
    cv2.imshow('Open',Open)
    # 5 Close
    Close = cv2.morphologyEx(Open, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)
    cv2.imshow('Close',Close)

# 6 Hough Circle detect
    circles = cv2.HoughCircles(Close,cv2.HOUGH_GRADIENT,2,120,param1=120,param2=20,minRadius=20,maxRadius=0)
    #                                                                     param2:决定圆能否被检测到（越少越容易检测到圆，但相应的也更容易出错）
    # judge if circles is exist
    if circles is not None:
        # 1 获取圆的圆心和半径
        x, y, r = int(circles[0][0][0]),int(circles[0][0][1]),int(circles[0][0][2])
        print(x, y, r)
        # 2 画圆
        cv2.circle(image, (x, y), r, (255,0,255),5)
        cv2.imshow('image', image)
    else:
        (x,y),r = (0,0), 0
        
    return (x,y), r

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# 图像处理
def Image_Processing():
    global h, s, v
    # 1 Capture the frames
    ret, frame = camera.read()
    image = frame
    cv2.imshow('frame', frame)
    
    # 2 get HSV
    binary = Get_HSV(frame)
    
    # 3 Gausi blur
    blur = cv2.GaussianBlur(binary,(9,9),0)
    
    # 4 Open
    kernel = cv2.getStructuringElement(cv2.MORPH_RECT, (9,9))
    Open = cv2.morphologyEx(blur, cv2.MORPH_OPEN, kernel)
    cv2.imshow('Open',Open)
    # 5 Close
    Close = cv2.morphologyEx(Open, cv2.MORPH_CLOSE, kernel)
    cv2.imshow('Close',Close)

    # 6 Hough Circle detect
    circles = cv2.HoughCircles(Close,cv2.HOUGH_GRADIENT,2,120,param1=120,param2=20,minRadius=20,maxRadius=0)
    #                                                                     param2:决定圆能否被检测到（越少越容易检测到圆，但相应的也更容易出错）
    # judge if circles is exist
    if circles is not None:
        # 1 获取圆的圆心和半径
        x, y, r = int(circles[0][0][0]),int(circles[0][0][1]),int(circles[0][0][2])
        print(x, y, r)
        # 2 画圆
        cv2.circle(image, (x, y), r, (255,0,255),5)
        cv2.imshow('image', image)
    else:
        (x,y),r = (0,0), 0
        
    return (x,y), r

六、运动控制

根据检测到的圆，获取到的坐标、半径，进行运动控制。

这里可以做到跟踪小球，前进和后退相配合，“敌进我退，敌退我进”。

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# 运动控制（这里可以做到跟踪小球，前景和后退相配合，“敌进我退，敌退我进”）
def Move((x,y), r):
    low_xlimit = width/4
    high_xlimit = 0.75 * width
    #low_ylimit = 3/4 * height
    ylimit = 0.75 * height
    print(high_xlimit, ylimit)
    # 没检测到，停止不动
    if x==0:
        Stop()
    # 检测到在图片0.75以上的区域（距离正常）
    elif x>low_xlimit and x<high_xlimit and y<ylimit:
        Front(60)
    # 检测到在图片0.75以下的区域（距离过近，后退）
    elif x>low_xlimit and x<high_xlimit and y>=ylimit:
        Back(60)
    # 在左0.25区域，向左跟踪
    elif x<low_xlimit:
        Left(60)
    # 在右0.25区域，向右跟踪
    elif x>high_xlimit:
        Right(60)

总代码

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#Ball Tracking(HSV)
import  RPi.GPIO as GPIO
import time
import Adafruit_PCA9685
import numpy as np
import cv2

#set capture window
width, height = 320, 240
camera = cv2.VideoCapture(0)
camera.set(3,width) 
camera.set(4,height)

l_motor = 18
left_front   =  22
left_back   =  27

r_motor = 23
right_front   = 25
right_back  =  24