滾球控制系統(tǒng)報(bào)告

滾球控制系統(tǒng)摘要該滾球系統(tǒng)由Kinetis―K60單片機(jī)控制模塊、位置采集模塊、板球模塊、人機(jī)交互模塊、電源模塊以及板球機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它由OV7620攝像頭進(jìn)行滾球位置采集，單片機(jī)對(duì)攝像頭輸入信息進(jìn)行處理，用位置式PID算法進(jìn)行運(yùn)算，輸出脈沖控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)為SH-20403驅(qū)動(dòng)的42BYG250A電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使滑輪纏繞吊線，改變底板所受吊線的拉力，進(jìn)而控制地板傾斜讓滾球到達(dá)指定位置，用人機(jī)交互模塊中的按鍵控制與題目相應(yīng)程序的運(yùn)行。在該滾球系統(tǒng)中，滾球可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)在不經(jīng)過非指定區(qū)域條件下到達(dá)指定區(qū)域，并可以在指定區(qū)域內(nèi)停留規(guī)定時(shí)間，完成了大賽本科B組基本要求。關(guān)鍵字：Kinetis―K60單片機(jī)；OV7620攝像頭；42BYG250a電機(jī)；SH-20403驅(qū)動(dòng)；位置式PID算法；閉環(huán)系統(tǒng)選擇和底板顏色相差大的滾球，通過攝像頭OV7620采集圖像，OV7620把板和球的亮暗程度轉(zhuǎn)化成像素的灰度值，并通過數(shù)據(jù)總線傳送給單片機(jī)，處理變成二值圖像，單片機(jī)開始對(duì)二值圖像像素點(diǎn)進(jìn)行掃描，在圖片中尋找到滾球，并用坐標(biāo)表達(dá)出滾球的位置。OV7620不斷的向單片機(jī)傳輸灰度圖像，可以時(shí)刻得到滾球位置。底板傾斜控制分析板球采集模塊用兩個(gè)42BYG250A步進(jìn)電機(jī)及SH-20403做驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。位置采集模塊采集滾球當(dāng)前位置，單片機(jī)處理滾球當(dāng)前位置信息調(diào)節(jié)輸出脈沖，控制兩只42BYG250A步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)底板傾斜控制。算法分析本系統(tǒng)采用位置式PID算法來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。電機(jī)開始工作后，位置采集模塊不斷采集當(dāng)前滾球所在位置，并與之前的滾球所在位置相比較，使得底板傾斜逐漸變化。PID算法控制器由滾球位置誤差比例P、滾球位置誤差積分I和滾球位置誤差微分D組成。其輸入e(k）與輸出U(k）的關(guān)系為：u(k)=Kp*e(k)+Ki*∑e(i)+Kd*[e(k)-e(k-1)]（式1）電路與程序設(shè)計(jì)攝像頭不斷采集滾球位置信息，傳送到單片機(jī)處理，將處理好的位置信息傳輸?shù)絇ID算法中，利用PID算法控制電機(jī)，來完成目的?？偭鞒虉D如圖二所示。圖2總流程圖滾球位置采集處理設(shè)計(jì)攝像頭將采集的灰度圖像傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)將圖像處理為二值圖像，通過隔行逐個(gè)像素點(diǎn)掃描來確定滾球位置，并將位置信息存在數(shù)組中傳輸給控制算法。流程圖如圖三所示。圖3滾球位置采集處理流程圖2.PID算法設(shè)計(jì)使用位置式PID算法。該算法需要讀取定值和輸入值，計(jì)算兩值偏差，根據(jù)位置式PID算法公式算出U（k），存儲(chǔ)U（k），將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)地址右移以便存取新的當(dāng)前輸入值，然后返回最初步驟。算法流程圖如圖四所示。圖4PID算法流程圖系統(tǒng)測(cè)試測(cè)試儀器秒表，高精度鋼板尺，自制區(qū)域圖紙測(cè)試結(jié)果將滾球放置在區(qū)域2，測(cè)量滾球在區(qū)域內(nèi)停留的時(shí)間表4題目一測(cè)試表第一次第二次第三次停留時(shí)間（s）1310控制滾球從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域5，測(cè)量滾球到達(dá)區(qū)域5時(shí)間，滾球投影與區(qū)域5的交疊率和滾球到區(qū)域5的時(shí)間以及在區(qū)域5停留時(shí)間。表5題目二測(cè)試表第一次第二次第三次第四次第五次到達(dá)區(qū)域5時(shí)間（s）1233.54與區(qū)域5交疊率（%）002080100在區(qū)域5停留時(shí)間（s）0.50.51.555設(shè)計(jì)總結(jié)該系統(tǒng)完成了比賽本科B組題目的基本要求的一，二。因時(shí)間問題未能完成其他基本要求和擴(kuò)展部分。（一）已達(dá)到要求的系統(tǒng)制作過程：硬件方面選擇題目，根據(jù)網(wǎng)上資料以及實(shí)際情況討論出大體方案，并根據(jù)方案搭建物理模型。調(diào)試外設(shè)。調(diào)試電機(jī)測(cè)量脈沖個(gè)數(shù)與步進(jìn)電機(jī)電機(jī)運(yùn)行關(guān)。調(diào)試攝像頭根據(jù)攝像頭采集圖像效果，根據(jù)效果調(diào)整攝像頭位置，減小外界光線因素影響，使攝像頭采集到圖片最佳。整體測(cè)試軟件方面組建工程模板。編寫外設(shè)驅(qū)動(dòng)，以便調(diào)試外設(shè)。編寫控制程序。3.總體測(cè)試不斷測(cè)試程序，調(diào)試程序中的重要參數(shù)，盡可能使系統(tǒng)穩(wěn)定，在測(cè)試過程中，用一定方法將把硬件因摩擦力，慣性等因素造成的誤差盡可能縮小，編寫軟件來消除硬件無法消除的誤差。沒有達(dá)到要求部分對(duì)于基本要求三，小球總是在從區(qū)域4到區(qū)域5過程中偏離，沒有達(dá)到預(yù)期的效果。如小球到達(dá)第一個(gè)設(shè)定目標(biāo)后，將底板傾斜程度降低，經(jīng)調(diào)試應(yīng)能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)基本要求三。擴(kuò)展要求二，可以通過矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)。每區(qū)域坐標(biāo)對(duì)應(yīng)一個(gè)按鍵，當(dāng)按鍵按下，坐標(biāo)將傳輸?shù)絇ID算法中做設(shè)定值。（三）在制作時(shí)出現(xiàn)的問題及解決方案1.無法確定滾球的位置將灰度圖像處理成二值圖像之后，有很多噪點(diǎn)，對(duì)圖像進(jìn)行濾波處理后噪點(diǎn)并沒有完全過濾掉，依舊影響滾球位置的檢測(cè)。經(jīng)過仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)噪點(diǎn)來源于底板沒有覆蓋的地面以及地面的反光。最后將攝像頭傳入圖像進(jìn)行裁剪，只剩下底板圖像信息，在合適的位置安裝光源，使問題得到了解決。滾球滾離底板在運(yùn)行測(cè)試程序時(shí)，滾球總是滾離底板。一方面原因是初始位置不水平，另一方面原因是因?yàn)榈装鍍A斜角度過大，滾球因?yàn)閼T性很難在期望的時(shí)間內(nèi)停止。最后解決方案為將初始位置手動(dòng)調(diào)至水平，改寫算法參數(shù)減緩底板傾斜角度變化，將傾斜角速度降低。但問題沒有得到實(shí)質(zhì)性解決，使得基本要求三的功能沒有實(shí)現(xiàn)。參考文獻(xiàn)[1]Kenneth.R.Castl