摘要：本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了板球控制系統(tǒng)，通過(guò)OV7725攝像頭模塊作為圖像識(shí)別傳感器對(duì)圖像進(jìn)行處理，獲取小球的位置坐標(biāo)。采用STM32F103ZET6 單片機(jī)作為主控制器，根據(jù)圖像信息通過(guò)PID 控制算法控制數(shù)字舵機(jī)，舵機(jī)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)平板運(yùn)動(dòng)，以此調(diào)整小球在平板上的位置，實(shí)現(xiàn)小球在板上任意點(diǎn)的穩(wěn)定，以及任意區(qū)域之間的轉(zhuǎn)移。測(cè)試表明，本系統(tǒng)能完成紅外控制小球運(yùn)動(dòng)，畫(huà)線，控制小球走正方形，控制小球畫(huà)圓。
關(guān)鍵詞：滾球控制系統(tǒng)；OV2275攝像頭；圖像處理；PID算法
本系統(tǒng)主要由采集模塊、處理模塊、執(zhí)行模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。
1、機(jī)械結(jié)構(gòu)的論證與選擇方案一：四邊懸吊結(jié)構(gòu)。采用四邊懸吊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是不穩(wěn)定，重心不固定，而重心的變化會(huì)影響平板的調(diào)整，從而影響數(shù)據(jù)處理周期，造成延時(shí)。。
方案二：正交搖臂支撐結(jié)構(gòu)。中間采用萬(wàn)向節(jié)固定支桿，另外兩邊使用舵機(jī)固定，平板與舵機(jī)支桿之間通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接，三角形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，固定支桿使平板重心不偏移，控制更為簡(jiǎn)單。
綜合以上二種方案，選擇方案二。
2、控制系統(tǒng)的論證與選擇方案一：STC89C51。采用STC89C51單片機(jī)做控制芯片，該系列單片機(jī)價(jià)格低廉，入門(mén)簡(jiǎn)單，實(shí)用范圍廣，資料豐富。但是是傳統(tǒng)的8位單片機(jī)，處理速度不行。
方案二：MSP430。采用TI的MSP430系列單片機(jī)做主控制器，該系列單片機(jī)資源較豐富，易控制且低功耗。但是由于單片機(jī)自身主頻較低，因而處理速度一般。
方案三：STM32F103。采用STM32F103系列單片機(jī)做主控芯片，該單片機(jī)控制較為復(fù)雜，且內(nèi)部定時(shí)器，IIC,SPI等資源豐富，運(yùn)算處理速度快，適合控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。
綜合以上三種方案，選擇方案三。
3、電機(jī)的論證與選擇方案一：直流電機(jī)。直流電機(jī)力量大，調(diào)速范圍廣，動(dòng)態(tài)特性好，傳遞函數(shù) 較為簡(jiǎn)單，速度快。但只能對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，可控性差，較難控制電機(jī)停止位置。
方案二：步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需反饋信號(hào)，適合高精度的控制，使用短距離頻繁動(dòng)作較佳，但控制復(fù)雜，延遲值高，轉(zhuǎn)速慢，扭矩小，且動(dòng)態(tài)特性差，難以處理，不適合實(shí)時(shí)控制。
方案三：舵機(jī)。舵機(jī)具有較高的穩(wěn)定性，控制簡(jiǎn)單，扭力大，成本低，且加速和減速時(shí)也更加迅速，柔和，可以提供更好的精度和更好的固定力量，且防抖動(dòng)性能優(yōu)越，響應(yīng)速度快。但對(duì)相應(yīng)的周期有要求，滿足周期條件后，適合實(shí)時(shí)控制。
綜合以上三種方案，選擇方案三。
小球的檢測(cè)是通過(guò)OV7725攝像頭模塊完成的，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用顏色識(shí)別來(lái)檢測(cè)小球，平板為黑色，使用白色小球提高對(duì)比度。STM32將攝像頭采集回來(lái)的彩色圖像做二值化處理，得到一個(gè)數(shù)組，然后通過(guò)搜索整個(gè)數(shù)組里面所有白色像素點(diǎn)的最大X、Y坐標(biāo)與最小X、Y坐標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)小球在圖像中上下左右四個(gè)頂點(diǎn)，通過(guò)四個(gè)頂點(diǎn)取中值進(jìn)行確定質(zhì)心位置。也就是小球的位置坐標(biāo)。
2、控制方法的分析
本系統(tǒng)通過(guò)控制舵機(jī)帶動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)從而控制小球在平板上的運(yùn)動(dòng)，采用PID位置環(huán)控制舵機(jī)輸出量使小球到達(dá)指定位置。采用PID速度環(huán)控制舵機(jī)輸出量使小球速度為0。
位置環(huán)PID計(jì)算公式：
Error_Postion=X1-X0;
Error_Postion_last=Error_Postion;
PID_Postion=KP*Error_Postion+KD*(Error_Postion-Error_Postion_last);
速度環(huán)PID計(jì)算公式：
Error_V=(X1-X0)/T-0;
Error_V_last=Error_V;
PID_V=KP*Error_V+KD*(Error_V-Error_V_last);
舵機(jī)輸出PWM計(jì)算公式：
PID_PWM=PID_Postion+PID_V;
Y軸的PID與舵機(jī)的輸出計(jì)算與X軸類似。
本系統(tǒng)電路共分為四個(gè)部分：采集模塊，主控制器模塊，執(zhí)行模塊和電源模塊，系統(tǒng)總體框圖如圖3.3.1所示。攝像頭負(fù)責(zé)采集小球在平板上的位置，并將信息送回到STM32F103控制器；STM32F103經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算輸出PWM波控制舵機(jī)轉(zhuǎn)角，以此控制小球在平板上的運(yùn)動(dòng)，從而形成一個(gè)閉合反饋回路，達(dá)到系統(tǒng)功能要求；電源模塊為以上模塊提供所需電源。
圖3.1.1
（2）降壓系統(tǒng)電路
圖3.1.2
2、程序的設(shè)計(jì)（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述
根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)攝像頭模塊的采集處理，紅外設(shè)置和顯示功能。
1）攝像頭圖像的采集：使用OV7725攝像頭處理圖像信息，提取小球的坐標(biāo)與運(yùn)動(dòng)信息。
2）紅外控制的設(shè)置：使用紅外控制模塊，通過(guò)按鍵控制模式選擇，基本實(shí)現(xiàn)要求。
3）顯示部分：采用LCD實(shí)時(shí)顯示小球的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)與運(yùn)動(dòng)信息，方便觀察與調(diào)試。
2、程序設(shè)計(jì)思路
（2）程序流程圖1、主程序流程圖
如圖3.2.1所示為主程序流程圖，當(dāng)按下按鍵時(shí)，檢測(cè)按鍵狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能要求，過(guò)程如下：攝像頭檢測(cè)小球運(yùn)動(dòng)的軌跡，處理后，輸出PWM波，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，同時(shí)攝像頭檢測(cè)小球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判斷是否達(dá)到指定區(qū)域。若沒(méi)有，繼續(xù)調(diào)整舵機(jī)，直至到達(dá)指定區(qū)域?yàn)橹埂?
圖3.2
2、小球運(yùn)動(dòng)檢測(cè)程序流程圖
小球檢測(cè)的前提是獲取平板的坐標(biāo)系，每次系統(tǒng)上電時(shí)完成坐標(biāo)系的標(biāo)定，攝像頭進(jìn)行圖像的獲取，小球位置實(shí)時(shí)檢測(cè)流程圖如圖3.2.2.2所示。
圖3.2.2小球位置檢測(cè)流程圖
3、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制算法流程圖
小球的目標(biāo)位置與實(shí)際測(cè)得的位置有偏差，運(yùn)用PID控制器計(jì)算舵機(jī)輸出量，通過(guò)MG996R舵機(jī)和曲柄連桿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)平板，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，控制算法如圖3.2.2.3所示。
圖3.2.3 PID位置控制算法
四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1、測(cè)試方案
測(cè)量前，首先檢測(cè)直流穩(wěn)壓電源和舵機(jī)是否工作正常，測(cè)量時(shí)，使用秒表測(cè)量小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間和停留時(shí)間，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
2、測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無(wú)誤，硬件電路保證無(wú)虛焊。
測(cè)試儀器：秒表，小球（直徑小于2cm）。
3、測(cè)試結(jié)果及分析（1）測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))1）基本要求
① 小球在區(qū)域2內(nèi)停留不少于5s。
測(cè)試方法：將球丟到平板上，記錄小球在區(qū)域2停留的時(shí)間。
測(cè)試結(jié)果：小球可以實(shí)現(xiàn)在區(qū)域2穩(wěn)定5s以上。
② 控制小球在15s內(nèi)從區(qū)域1運(yùn)動(dòng)到區(qū)域5，且在區(qū)域5停留2s以上。
測(cè)試方法：手動(dòng)將小球放置在區(qū)域1內(nèi)，啟動(dòng)1-5模式，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，記
錄小球從區(qū)域1到區(qū)域5所用時(shí)間以及在區(qū)域5停留的時(shí)間。
測(cè)試結(jié)果：小球可以完成從區(qū)域1到區(qū)域5，并且在區(qū)域5停留時(shí)間在2s以上，未進(jìn)入其他區(qū)域。
③ 控制小球在20s內(nèi)完成從區(qū)域1到區(qū)域4，在區(qū)域4停留2s以上，之后
進(jìn)入?yún)^(qū)域5，在區(qū)域5停留2s以上。
測(cè)試方法：手動(dòng)將小球放置在區(qū)域1內(nèi)，啟動(dòng)1-4-5模式，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄小球完成兩個(gè)動(dòng)作的總時(shí)間以及在區(qū)域4和區(qū)域5停留的時(shí)間。
測(cè)試結(jié)果：小球可以完成從區(qū)域1到區(qū)域4再到區(qū)域5，并且在區(qū)域4，區(qū)域5停留時(shí)間均達(dá)到2s以上。
④控制小球在30s內(nèi)從區(qū)域1運(yùn)動(dòng)到區(qū)域9，且在區(qū)域9停留2s以上。
測(cè)試方法：手動(dòng)將小球放置在區(qū)域1內(nèi)，啟動(dòng)1-9模式，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄小球完成運(yùn)動(dòng)的總時(shí)時(shí)間以及在區(qū)域9停留的時(shí)間。
測(cè)試結(jié)果：小球通過(guò)設(shè)置的中轉(zhuǎn)點(diǎn)（在區(qū)域1到區(qū)域9路徑上設(shè)置），可以完成題目要求，且在區(qū)域9停留時(shí)間2s以上。
2) 發(fā)揮部分
① 控制小球在40s內(nèi)，從區(qū)域1先后經(jīng)過(guò)區(qū)域2和區(qū)域6停在區(qū)域9，在區(qū)域9停留2s以上。
測(cè)試方法：手動(dòng)將小球放置在區(qū)域1，啟動(dòng)1-2-6-9模式，并開(kāi)始計(jì)時(shí)，記錄小球運(yùn)動(dòng)的總時(shí)間以及在區(qū)域9停留的時(shí)間。
測(cè)試結(jié)果：小球可以完成題目要求，且在區(qū)域9停留時(shí)間2s以上。
③ 通過(guò)控制使得小球從區(qū)域4出發(fā)，繞區(qū)域5（不進(jìn)入）做不少于3周運(yùn)動(dòng)后在區(qū)域9停留2s以上。
測(cè)試方法：手動(dòng)將小球放置在區(qū)域4，啟動(dòng)繞區(qū)域5做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的模式，
觀察小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，記錄小球在區(qū)域9停留時(shí)間。
測(cè)試結(jié)果：小球在區(qū)域4出發(fā)，圍繞區(qū)域5做正方形路徑，完成題目要求，且最后在區(qū)域9停留時(shí)間達(dá)2s以上。
（2）測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)能充分完成指標(biāo)要求，響應(yīng)速度快，可以實(shí)現(xiàn)小球在指定位置的穩(wěn)定，能夠按照指定的要求在平板上完成指定動(dòng)作，測(cè)試中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在平衡位置附近出現(xiàn)小幅度的抖動(dòng)，分析原因是由于小球位置識(shí)別的微小偏差，解決方案是采用更精準(zhǔn)的圖像識(shí)別算法從而達(dá)到減小抖動(dòng)的目的。還有機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建得不是特別好，導(dǎo)致平板在水平方向有稍微的偏移。
綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
五、結(jié)論與心得經(jīng)過(guò)這次制作，我們?cè)谠O(shè)計(jì)硬件和搭建機(jī)械結(jié)構(gòu)有了更大的全局觀，提升了小組三人的合作能力，我們?cè)诿鎸?duì)系統(tǒng)共地問(wèn)題，電路故障分析的運(yùn)用也能通過(guò)設(shè)計(jì)電路來(lái)檢測(cè)。同時(shí)我們更加了解了基本圖像處理方法，對(duì)PID算法運(yùn)用更熟練，為我們之后的制作過(guò)程做了很好的鋪墊。
六：部分程序
int main(void)
{
u8 msgbuf[15];//消息緩存區(qū)
u8 tm=0;
delay_init(); //延時(shí)函數(shù)初始化
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)分組
uart_init(115200); //串口初始化為115200
uart3_init(9600); //藍(lán)牙模塊波特率初始化-9600
usmart_dev.init(72);//初始化USMART
LED_Init(); //初始化與LED連接的硬件接口
KEY_Init();//初始化按鍵
LCD_Init(); //初始化LCD
TPAD_Init(6);//觸摸按鍵初始化
POINT_COLOR=RED;//設(shè)置字體為紅色
TIM2_Init(); //定時(shí)器2進(jìn)行5ms中斷
PWM_1_Init(); //舵機(jī)pwm輸出TIM3
Remote_Init();//紅外模塊初始化--需要添加開(kāi)啟
//OV7725初始化
if(OV7725_Init()==0)
{
OV7725_Window_Set(240,240,0);//設(shè)置寬度與高度，QVGA模式輸出
OV7725_CS=0; //關(guān)閉位選
}
EXTI8_Init();//使能外部中斷8,捕獲幀中斷
LCD_ShowString(135,282,297,12,12,"KD_X:");
T_X=0;
T_Y=0;
while(1)
{
OV7725_camera_refresh();//更新顯示，進(jìn)行尋點(diǎn)尋點(diǎn)操作
remote_key(); //紅外鍵值獲取，模式切換
LCD_Show(); //lcd顯示函數(shù)
}
}
Pid算法程序：
V_X = (X_white-Error_X_Last)/T;
V_Y = (Y_white-Error_Y_Last/T;
Set_point(); //紅外控制函數(shù)
//===計(jì)算坐標(biāo)偏差值===////===計(jì)算速度偏差值===//
Error_X=X_white-T_X;Error_V_X=V_X;
Error_Y=Y_white-T_Y;Error_V_Y=V_Y;
//=位置計(jì)算微分偏差值=////=速度計(jì)算微分偏差值=//
Bais_X=Error_X-Error_X_Last; Bais_V_X=Error_V_X-Error_V_X_Last;
Bais_Y=Error_Y-Error_Y_Last; Bais_V_Y=Error_V_Y-Error_V_Y_Last;
//======計(jì)算相對(duì)偏離位置用于計(jì)算速度======//
if(Bais_X!=0||Bais_Y!=0)
{
D_Bais_X=Bais_X;
D_Bais_Y=Bais_Y;
}
//============PID計(jì)算位置環(huán)PWM============//
//計(jì)算位置環(huán)PWM
PWM_X_P=(KP_X*Error_X + KD_X*D_Bais_X);
PWM_Y_P=(KP_Y*Error_Y + KD_Y*D_Bais_Y);
//============PID計(jì)算速度環(huán)PWM============//
PWM_V_X_P=(KP_V_X*Error_V_X + KD_V_X*Bais_V_X); PWM_V_Y_P=(KP_V_Y*Error_V_Y + KD_V_Y*Bais_V_Y);
//=============計(jì)算總輸出PWM==============//
PWM_X=PWM_X_P+zhongzhi_X+PWM_V_X_P;
PWM_Y=PWM_Y_P+zhongzhi_Y+PWM_V_Y_P;
//================PWM限幅=================//
if(PWM_X>1850) PWM_X=1850;
if(PWM_X<1200) PWM_X=1200;//X軸限幅1157+-200
if(PWM_Y>1550) PWM_Y=1500;
if(PWM_Y<850) PWM_Y=850;//Y軸限幅1405+-200
//=========保存（坐標(biāo)，速度）偏差=========//
Error_X_Last=Error_X;
Error_Y_Last=Error_Y;
圖像處理函數(shù)：
for(i=0;i
{
// length_white=0;//換行清零 方案B啟用
for(j=0;j
{
OV7725_RCK_L;
color=GPIOC->IDR&0XFF;//讀數(shù)據(jù)
OV7725_RCK_H;
color<<=8;
OV7725_RCK_L;
color|=GPIOC->IDR&0XFF;//讀數(shù)據(jù)
OV7725_RCK_H;
LCD->LCD_RAM= color;//顯示rgb像素點(diǎn)
//獲取RGB圖像并對(duì)其計(jì)算
gm_red = color>>11;
gm_green = (color&0x07E0)>>5;
gm_blue = color&0x001F;
gray=(gm_red*19595 + gm_green*38469 +gm_blue *7472) >> 16;
if(gray>42) //白色處理
{
//LCD->LCD_RAM= WHITE;
if(((i>15&&i<220)&&(j>15&&j<220))) //過(guò)濾掉周?chē)h(huán)境的噪點(diǎn)，
{
total_white++;
x_total_white +=i;
y_total_white +=j;
}
}
m=(x_total_white)/(total_white);
n=(y_total_white)/(total_white);//計(jì)算坐標(biāo)
if(m>0&&n>0)//濾除0.0這個(gè)點(diǎn)
{
X_white=m;
Y_white=n;
if(total_white>20)//只標(biāo)記最大的白色球體
{
devieat = (u8)(sqrt(total_white/3.14));//根據(jù)面積求出白球半徑
}
LCD_Draw_Circle(Y_white,X_white,devieat);//在lcd上畫(huà)圓標(biāo)記
LCD_Draw_Circle(Y_white,X_white,devieat+1);//在lcd上畫(huà)圓標(biāo)記
