2017電子設計大賽論文滾球控制系統(tǒng)

1、2017年全國大學生電子設計競賽陜西賽區(qū)設計報告封面作品編號：（由組委會填寫）&&剪切線&&&作品編號：（由組委會填寫）參賽隊編號（參賽學校填寫）學校編號組（隊）編號選題編號0218B說 明1. 為保證本次競賽評選的公平、公正，將對競賽設計報告采用二次編碼；2. 本頁作為競賽設計報告的封面和設計報告一同裝訂；3. “作品編號”由組委會統(tǒng)一編制，參賽學校請勿填寫；4. “參賽隊編號”由參賽學校編寫，其中“學校編號”應按照巡視員提供的組委會印制編號填寫，“組（隊）編號”由參賽學校根據(jù)本校參賽隊數(shù)按順序編排，“選題編號”由參賽隊員根據(jù)所選試題編號填寫，例如：“

2、0105B”或“3367F”。5. 本頁允許各參賽學校復印。摘 要 滾球控制系統(tǒng)通過攝像頭獲得滾球裝置中小球和平板的圖像，然后采用Nanopi M3進行相應的圖像處理算法處理圖像，通過坐標變換轉換為小球在平板上的位置信息，將位置信息傳送給STM32F103RC系統(tǒng)控制器，在平板的兩個相互正交方向上分別進行PID控制算法，控制舵機驅動平板在這兩個相互正交方向上相互配合地傾斜，從而間接控制小球直線、繞環(huán)等運動。采用按鍵選擇和12864液晶顯示屏，選擇和顯示工作模式和參數(shù)。系統(tǒng)制作完善，測試結果理想，很好的完成了各項任務要求。關鍵詞：PID控制算法；圖像處理；STM32F103RC；12864液晶顯

3、示屏1 方案設計與論證1.1 總體方案描述 圖1.1 是滾球系統(tǒng)的構成框圖，主要由控制器、執(zhí)行器、板和球、攝像機、圖像處理模塊構成。圖1-1 滾球系統(tǒng)構成框圖具體的工作過程為：通過攝像機采集小球的運動圖像，在圖像處理單元，利用Nanopi 2 Fire對圖片進行處理，獲取球相對于板的位置，將位置信息傳送到控制器，在控制器內(nèi)計算控制量，通過控制執(zhí)行機構來控制平板運動，進而控制小球的運動。1.2主控制器的選擇方案方案1：采用可編程邏輯器件CPLD，具有并行輸入輸出方式。它在系統(tǒng)處理的速度上較快，但是規(guī)模大、結構復雜，而系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)處理速度的要求也不是非常高。方案2：采用FPGA

4、作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。但是因其價格較高使系統(tǒng)成本增加，高速處理優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。方案3：采用STM32F103RC單片機。STM32F103RC單片機，具有功能強大、效率高的指令系統(tǒng)，以及高性能模擬技術及豐富的外圍模塊。方便高效的開發(fā)環(huán)境使操作更加簡便，低功耗是其它類單片機難以比擬的，集成度較高，編程相對簡單。STM32 定時功能強大，主要應用的是定時器的 PWM 模式，PWM 模式只能在定時器的 4 個通道產(chǎn)生頻率相同但是占空比不同的輸出信號，由于要控制 4 個電機的運行（在板球控制系統(tǒng)中只使用其中的兩個電機），因此要用到定時器的PWM模式。在滾

5、球系統(tǒng)中，還要對采集到的位置信息需要進行兩個方向的PID運算，為滿足高速的運算要求，系統(tǒng)選擇了性能更好的STM32F103RC單片機。1.3 攝像頭選擇方案方案1：采用陜西維視 MV-VD 系列工業(yè)攝像機。此攝像頭最高采集頻率為60 幀/s。陜西維視數(shù)字圖像技術有限公司提供了攝像機在 VC6.0 下的底層驅動代碼，因此在 VS2008 上，可以比較容易的編寫攝相機驅動程序，控制相機的采集頻率和其他一系列的相機參數(shù)。對相機采集回來的圖片應用數(shù)字圖像處理技術，對每一幀圖片進行處理，獲取球的位置信息。方案2：采用iMac 拆機攝像頭，該攝像頭體積小、易于安裝，支持各種分辨率，最大硬件分辨率 1280

6、*1024，720P高清，可改USB攝像頭，且價格便宜?？紤]到系統(tǒng)對圖像的分辨率沒有太大的要求，但在價格方面iMac拆機攝像頭又遠遠低于MV-VD 系列工業(yè)攝像機，因此采用iMac拆機攝像頭。1.4 圖像處理器選擇方案方案1：采用Nanopi 2 Fire處理器。該處理器為四核A9處理器，運行主頻1.4GHz，具有1GB內(nèi)存，依托Debian/Android的強大生態(tài)系統(tǒng)，以及各種各樣的擴展配件，Nanopi 2 Fire兼容樹莓派的IO口，可支持并行CMOS攝像頭接口，和1路專用調(diào)試串口，對圖像處理具有強大的優(yōu)勢。方案2：它采用高性能的ARM/Cortex-M32/32 位 RISC 內(nèi)核，

7、工作頻率為 72MHZ，內(nèi)置高速存儲器，以及豐富的 IO 設備和外部接口。由于圖像處理需要高速的處理速度，STM32對圖像處理略顯卡頓。圖像處理器選擇Nanopi 2 Fire 處理器。1.5 電機選擇方案 方案1：采用帶有絲桿的直流減速電機。直流減速電機經(jīng)過減速后對外輸出力矩增加，板在傾斜過程中，絲桿連接處的水平距離變短，對絲桿有較大的截向的力，對平板的進一步運動有所阻礙。 方案2：采用舵機。舵機是靠脈沖的寬度來控制其轉動的角度，使用舵機帶動連接軸即可控制平臺的傾斜。舵機使用方便，響應速度快。 方案3：采用直線電機。直線電機可自由控制桿的伸長和縮短，其速度為8cm每秒，最大伸縮長度為15cm

8、，行程大。 舵機和直線電機響應速度相當，但是直線電機笨重不及舵機小巧，且舵機價格實惠，所以系統(tǒng)采用舵機。2 理論分析與計算2.1 小球識別原理小球位置和圓形的檢測是控制滾球系統(tǒng)的基礎。在圖像處理以及模式識別中，經(jīng)常需要獲取圖片中圓和矩形的信息，將采集到的圖片首先進行灰度化處理，再進行邊緣檢測、轉化為二值圖像等操作，具體流程如圖2-1所示。圖2-1 小球識別流程圖其中，邊緣檢測需要進行如下步驟。1）將彩色圖像轉換為灰度圖像，用高斯平滑濾波對圖像進行去噪處理。2）用高斯的一階微分對圖像進行濾波，獲得較好的梯度邊緣。3）對梯度進行非極大值抑制和滯后閥值處理得到圖像的邊緣。4）采用雙閥值算法檢測和連接

9、邊緣。設置檢測強邊緣和弱邊緣的2 個閥值。當檢測到的邊緣點的閥值，高于強邊緣的閥值，則為強邊緣，輸出邊緣點。當檢測到邊緣點的閥值介于強邊緣的閥值和弱邊緣的閥值之間時，認為是弱邊緣點，當且僅當弱邊緣與強邊緣相連時，弱邊緣才被輸出。 經(jīng)過以上幾個步驟處理，檢測到圖像的邊緣并輸出。2.2 小球運動控制原理 系統(tǒng)采用在工業(yè)控制中得到廣泛運用的PID控制器，因為采用的是離散計算，所以PID算法又稱為數(shù)字PID。數(shù)字PID控制算法可以分為位置式PID和增量式PID，在滾球系統(tǒng)中采用的是位置式PID。 常規(guī)模擬PID控制的控制規(guī)律描述如式2.1： ut=Kpet+1Ti0tetdt+Tdde(t)dt (2

10、.1) 其中：et為期望值與實際值之差、Kp為控制器的比例參數(shù)、Ti為積分時間、Td為微分時間?，F(xiàn)在PID控制的實現(xiàn)大都不采用模擬電路的模式，而是采用數(shù)字形式，所以它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出控制量，進而連續(xù)控制。因而2.1式中的積分項和微分項不能直接使用，必須要經(jīng)過離散化處理。離散化處理的方法為：以T為采樣周期，K為采樣序號，則離散采樣時間KT對應連續(xù)時間t，用一階后向差分式近似代替積分，可作如下近似變換： tKTK=0,1,2,0tetdtTj=0kejT=Tj=okejde(t)dteKT-eK-1TT=eK-eK-1T (2.2)令eKT=eK，式

11、2.2代入式2.1得離散式PID表達式： uK=KpeK+TTij=0Kej+TdeK-eK-1T (2.3)或 uK=KpeK+Kij=0Kej+Kd(eK-eK-1) (2.4)滾球系統(tǒng)將采集到的小球的位置信息在兩個相互正交方向分別進行PID運算，將運算結果作用到PWM的脈寬上，以達到控制舵機轉速。3 系統(tǒng)軟硬件設計3.1 硬件結構設計設計的平臺機械結構如圖 3-1 所示。圖 3-1 平臺機械結構示意圖小球的運動控制是通過處理器的計算將結果反饋給舵機來X方向和Y方向的舵機轉動，以實現(xiàn)載球平臺不同方向的傾斜，從而使小球按照預期的軌跡和規(guī)定運動參數(shù)在平臺上完成相應的動作。3.2 穩(wěn)壓電路部分電

12、子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 ×× 系列和負電壓輸出的79××系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。7805三端穩(wěn)壓IC內(nèi)部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠實現(xiàn)1A以上的輸出電流。所以，7805穩(wěn)壓芯片十分適合系統(tǒng)的穩(wěn)壓電路設計。原理圖如圖3-2所示。圖 3-2 穩(wěn)壓電路3.3 顯示部分帶中文字庫的128X64-0402B每屏可顯示4行8列共32個16×16點陣的漢字，每個顯示RAM可顯示1個中文字符或2個16×8點陣全

13、高ASCII碼字符，即每屏最多可實現(xiàn)32個中文字符或64個ASCII碼字符的顯示。帶中文字庫的128X64-0402B內(nèi)部提供128×2字節(jié)的字符顯示RAM緩沖區(qū)（DDRAM）。其硬件連接如圖3-3所示。圖 3-3 液晶引腳連接圖3.4總體程序框架 根據(jù)任務要求設計如圖3-4所示的程序框架。圖3-4 總體程序框架圖（1） 當系統(tǒng)上電后，12864液晶顯示器顯示開機界面，與此同時STM32F103RC對按鍵檢測，選擇工作狀態(tài)，設定靜止狀態(tài)、運動位置、圓周運動。通過PID調(diào)節(jié)實現(xiàn)相應的功能。（2）攝像頭捕捉圖像，Nanopi處理返回坐標值，調(diào)用PID子程序進行計算。（3）鍵盤初始化，判斷

14、是否有按鍵按下，無鍵按下，重新進行鍵盤掃描；有鍵按下，判斷是哪個鍵按下，并進行相應的操作。4 系統(tǒng)測試4.1測試儀器在室溫條件下，測試所用儀器如表4-1所示。表4-1 測試儀器編號名稱型號1數(shù)字萬用表UT39A2秒表XINJIE3示波器UTD2062CEL4.2 指標測試結果（1）小球在指定區(qū)域停留時間。要求：將小球放置在區(qū)域2，控制使小球在區(qū)域內(nèi)停留不少于5秒，經(jīng)過5次測試，測試結果如表4-2所示。表4-2 小球在區(qū)域2停留時間次數(shù)放置位置停留時間（秒）是否達標12區(qū)域10是22區(qū)域12是32區(qū)域12是42區(qū)域15是52區(qū)域13是（2）小球從一個區(qū)域進入另一個區(qū)域所用時間及停留時間。要求：控

15、制小球從區(qū)域1進入?yún)^(qū)域4，在區(qū)域4停留不少于2秒；然后再進入?yún)^(qū)域5，小球在區(qū)域5停留不少于2秒。完成以上兩個動作總時間不超過20秒。表4-3 小球運動時間及停留時間次數(shù)區(qū)域a到區(qū)域b運動完成時間（秒）停留時間（秒）是否達標11到2165否21到2145是31到4136是41到4154是4.3誤差分析經(jīng)分析，系統(tǒng)的主要誤差來自于攝像頭圖像的采集，一方面，采集圖像時受環(huán)境的影響較大，使得識別小球時有錯誤識別的情況。另一方面，由于攝像頭是固定的，不能始終與正對著平臺，在平臺傾斜時，采集到平臺的圖像為梯形，使得小球的位置獲取有一定誤差。 5 總結滾球控制系統(tǒng)以STM32F103RC為主控制器，以Nan

16、oPi為圖像處理器，STM32根據(jù)NanoPi反饋的小球位置信息進行PID運算，作用于舵機改變平臺的傾斜角度以達到控制小球運動的目的。因為滾球系統(tǒng)是通過攝像頭采集圖像，所以對硬件的搭建的要求很嚴格，為達到降低誤差的目的，要求各機械結構的尺寸設計精確，且裝配準確。在設計滾球控制系統(tǒng)過程中，不僅僅提高了動手能力，更是提高了發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。滾球控制系統(tǒng)在硬件上還存在著誤差，可進一步的通過設計的合理性及精確程度來降低誤差，在軟件上，單純的使用PID控制器，今后可通過建立數(shù)學模型來提高控制的高效性。參考文獻1 華成英，童詩白.模擬電子技術基礎(第四版)M.北京：清華大學出版社，20062 湯兵勇等.模糊控制理論與應用技術M.北京：清華大學出版社，20023 譚浩強.C程序設計M.北京：清華大學出版社，19914 徐建華.圖像處理與分析M.北京：科學出版社，19925 章衛(wèi)國，楊向中.模糊控制理論與應用M.西安：西北工業(yè)大學出版社， 1999 6