2017電子設(shè)計(jì)大賽論文：滾球控制系統(tǒng)

1、2017年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽陜西賽區(qū) 設(shè)計(jì)報(bào)告封面作品編號(hào)：（由組委會(huì)填寫）剪切線作品編號(hào)：（由組委會(huì)填寫）參賽隊(duì)編號(hào)學(xué)校編號(hào)組（隊(duì)）編號(hào)選題編號(hào)（參賽學(xué)校填寫）0218B為保證本次競(jìng)賽評(píng)選的公平、公正，將對(duì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告采用二次編碼；本頁(yè)作為競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告的封面和設(shè)計(jì)報(bào)告一同裝訂；“作品編號(hào)”由組委會(huì)統(tǒng)一編制，參賽學(xué)校請(qǐng)勿填寫；“參賽隊(duì)編號(hào)”由參賽學(xué)校編寫，其中“學(xué)校編號(hào)”應(yīng)按照巡視員提供的組 委會(huì)印制編號(hào)填寫，“組（隊(duì)）編號(hào)”由參賽學(xué)校根據(jù)本校參賽隊(duì)數(shù)按順序編排,“選題編號(hào)”由參賽隊(duì)員根據(jù)所選試題編號(hào)填寫，例如：“0105B或3367F。本頁(yè)允許各參賽學(xué)校復(fù)印摘要滾球控制系統(tǒng)通過(guò)攝像頭獲得

2、滾球裝置中小球和平板的圖像，然后采用 Nanopi M3 進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理算法處理圖像，通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)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(gè)相互正交方向上分別進(jìn)行 PID 控制算法，控制舵機(jī)驅(qū)動(dòng)平板在這兩個(gè)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(yùn)動(dòng)。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(cè)試結(jié) 果理想，很好的完成了各項(xiàng)任務(wù)要求。關(guān)鍵詞： PID 控制算法；圖像處理； STM32F103RC；12864 液晶顯示屏1方案設(shè)計(jì)與論證1.1總體方案描述圖1.1是滾球系統(tǒng)的構(gòu)

3、成框圖，主要由控制器、執(zhí)行器、板和球、攝像機(jī)、 圖像處理模塊構(gòu)成。圖1-1滾球系統(tǒng)構(gòu)成框圖具體的工作過(guò)程為：通過(guò)攝像機(jī)采集小球的運(yùn)動(dòng)圖像，在圖像處理單元， 利用Nanopi 2 Fire對(duì)圖片進(jìn)行處理，獲取球相對(duì)于板的位置，將位置信息傳送 到控制器，在控制器內(nèi)計(jì)算控制量，通過(guò)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)控制平板運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而 控制小球的運(yùn)動(dòng)。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(jié)構(gòu)復(fù)雜，而系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì) 數(shù)據(jù)處理速度的要求也不是非常高。方案2:采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯 功能，規(guī)

4、模大，密度高。但是因其價(jià)格較高使系統(tǒng)成本增加，高速處理優(yōu)勢(shì)得 不到體現(xiàn)。方案3:采用STM32F103RC單片機(jī)。STM32F103RC單片機(jī)，具有功能強(qiáng) 大、效率高的指令系統(tǒng)，以及高性能模擬技術(shù)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(jiǎn)便，低功耗是其它類單片機(jī)難以比擬的，集成度較高， 編程相對(duì)簡(jiǎn)單。STM32定時(shí)功能強(qiáng)大，主要應(yīng)用的是定時(shí)器的PWM模式，PWM模式只能在定時(shí)器的4個(gè)通道產(chǎn)生頻率相同但是占空比不同的輸出信 號(hào)，由于要控制4個(gè)電機(jī)的運(yùn)行（在板球控制系統(tǒng)中只使用其中的兩個(gè)電 機(jī)），因此要用到定時(shí)器的PWM模式。在滾球系統(tǒng)中，還要對(duì)采集到的位置信息需要進(jìn)行兩個(gè)方向的PID運(yùn)算

5、，為滿足高速的運(yùn)算要求，系統(tǒng)選擇了性能更好的STM32F103RC單片機(jī)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(jī)。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(shù)有限公司提供了攝像機(jī)在VC6.0下的底層驅(qū)動(dòng)代碼，因此在 VS2008 上，可以比較容易的編寫攝相機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，控制相 機(jī)的采集頻率和其他一系列的相機(jī)參數(shù)。對(duì)相機(jī)采集回來(lái)的圖片應(yīng)用數(shù)字圖像 處理技術(shù)，對(duì)每一幀圖片進(jìn)行處理，獲取球的位置信息。方案 2：采用 iMac 拆機(jī)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*1024, 720P高清，可改USB攝像頭，且價(jià)格便 宜?？紤]

6、到系統(tǒng)對(duì)圖像的分辨率沒(méi)有太大的要求，但在價(jià)格方面 iMac 拆機(jī)攝像 頭又遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 MV-VD 系列工業(yè)攝像機(jī)，因此采用 iMac 拆機(jī)攝像頭。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(yùn)行主頻 1.4GHz,具有1GB內(nèi)存，依托Debian/Android的強(qiáng)大生態(tài)系統(tǒng)，以及各種各樣 的擴(kuò)展配件，Nanopi 2 Fire兼容樹莓派的10 口，可支持并行CMOS攝像頭接 口，和 1 路專用調(diào)試串口，對(duì)圖像處理具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。方案 2:它采用高性能的 ARM/Cortex-M32/32 位 RISC 內(nèi)核，工作頻率為 72MHZ，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器

7、，以及豐富的IO設(shè)備和外部接口。由于圖像處理需要高速的處理速度，STM32對(duì)圖像處理略顯卡頓。圖像處 理器選擇 Nanopi 2 Fire 處理器。電機(jī)選擇方案方案 1:采用帶有絲桿的直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)經(jīng)過(guò)減速后對(duì)外輸出 力矩增加，板在傾斜過(guò)程中，絲桿連接處的水平距離變短，對(duì)絲桿有較大的截 向的力，對(duì)平板的進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)有所阻礙。方案 2:采用舵機(jī)。舵機(jī)是靠脈沖的寬度來(lái)控制其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，使用舵機(jī)帶 動(dòng)連接軸即可控制平臺(tái)的傾斜。舵機(jī)使用方便，響應(yīng)速度快。方案 3:采用直線電機(jī)。直線電機(jī)可自由控制桿的伸長(zhǎng)和縮短，其速度為8cm每秒，最大伸縮長(zhǎng)度為15cm,行程大。舵機(jī)和直線電機(jī)響應(yīng)速度相當(dāng)，但

8、是直線電機(jī)笨重不及舵機(jī)小巧，且舵機(jī)價(jià) 格實(shí)惠，所以系統(tǒng)采用舵機(jī)。2理論分析與計(jì)算2.1小球識(shí)別原理小球位置和圓形的檢測(cè)是控制滾球系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在圖像處理以及模式識(shí)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(jìn)行灰度化處 理，再進(jìn)行邊緣檢測(cè)、轉(zhuǎn)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(shí)別流程圖其中，邊緣檢測(cè)需要進(jìn)行如下步驟。 將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，用高斯平滑濾波對(duì)圖像進(jìn)行去噪處理。用高斯的一階微分對(duì)圖像進(jìn)行濾波，獲得較好的梯度邊緣。對(duì)梯度進(jìn)行非極大值抑制和滯后閥值處理得到圖像的邊緣。 采用雙閥值算法檢測(cè)和連接邊緣。設(shè)置檢測(cè)強(qiáng)邊緣和弱邊緣的2個(gè)閥 值。當(dāng)檢測(cè)到的

9、邊緣點(diǎn)的閥值，高于強(qiáng)邊緣的閥值，貝U為強(qiáng)邊緣，輸出邊緣點(diǎn)。當(dāng)檢測(cè)到邊緣點(diǎn)的閥值介于強(qiáng)邊緣的閥值和弱邊緣的閥值之間時(shí)，認(rèn)為是 弱邊緣點(diǎn)，當(dāng)且僅當(dāng)弱邊緣與強(qiáng)邊緣相連時(shí)，弱邊緣才被輸出。經(jīng)過(guò)以上幾個(gè)步驟處理，檢測(cè)到圖像的邊緣并輸出。2.2小球運(yùn)動(dòng)控制原理系統(tǒng)采用在工業(yè)控制中得到廣泛運(yùn)用的PID控制器，因?yàn)椴捎玫氖请x散計(jì)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) = ?：?)?+ 禍? ?F(2.1)其中：？?為期望值與實(shí)際值之差、Kp為控制器的比例參數(shù)、？?為積分

10、時(shí) 間、？?為微分時(shí)間?，F(xiàn)在PID控制的實(shí)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(shí)刻的偏差來(lái)計(jì)算控制量，而不能像模擬控制那樣連續(xù)輸出 控制量，進(jìn)而連續(xù)控制。因而 2.1式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接使用，必須 要經(jīng)過(guò)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(hào)，則離散采樣時(shí)間KT對(duì)應(yīng)連續(xù)時(shí)間t,用一階后向差分式近似代替積分，可作如 下近似變換：?g ?= 0 12?)(2.2)(2.3)(2.4)PID運(yùn) /?若?=0?= ?西?=?彩?(?戈?)?-?(?-1) ? _ ?-?-1? ? ?令?=?,式2.2代入式2.1得離散式PID表達(dá)式:?= ?

11、引?+ 符匸?=0?+ ?空警? = ?+ ?E?=o?+ ?攵?- ?-i)滾球系統(tǒng)將采集到的小球的位置信息在兩個(gè)相互正交方向分別進(jìn)行 算，將運(yùn)算結(jié)果作用到PWM的脈寬上，以達(dá)到控制舵機(jī)轉(zhuǎn)速。3系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)3.1硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 3-1所示。圖3-1平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖小球的運(yùn)動(dòng)控制是通過(guò)處理器的計(jì)算將結(jié)果反饋給舵機(jī)來(lái) X方向和Y方向 的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)載球平臺(tái)不同方向的傾斜，從而使小球按照預(yù)期的軌跡和 規(guī)定運(yùn)動(dòng)參數(shù)在平臺(tái)上完成相應(yīng)的動(dòng)作。3.2穩(wěn)壓電路部分電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 X系列和負(fù)電壓輸出的79X系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用

12、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(guò)壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠?qū)崿F(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(shè)計(jì)。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(kù)的128X64-0402B每屏可顯示4行8列共32個(gè)16X 16點(diǎn)陣的漢 字，每個(gè)顯示RAM可顯示1個(gè)中文字符或2個(gè)16X8點(diǎn)陣全高ASCII碼字符， 即每屏最多可實(shí)現(xiàn)32個(gè)中文字符或64個(gè)ASCII碼字符的顯示。帶中文字庫(kù)的 128X64-0402B內(nèi)部提供128X2字節(jié)的字符顯示 RAM緩沖區(qū)（DDRAM

13、 ）。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(wù)要求設(shè)計(jì)如圖 3-4 所示的程序框架。圖 3-4 總體程序框架圖1) 當(dāng)系統(tǒng)上電后， 12864 液晶顯示器顯示開機(jī)界面，與此同時(shí) STM32F103RC 對(duì)按鍵檢測(cè)，選擇工作狀態(tài)，設(shè)定靜止?fàn)顟B(tài)、運(yùn)動(dòng)位 置、圓周運(yùn)動(dòng)。通過(guò) PID 調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。攝像頭捕捉圖像，Nanopi處理返回坐標(biāo)值，調(diào)用PID子程序進(jìn)行計(jì)算（3）鍵盤初始化，判斷是否有按鍵按下，無(wú)鍵按下，重新進(jìn)行鍵盤掃描；有鍵 按下，判斷是哪個(gè)鍵按下，并進(jìn)行相應(yīng)的操作。4系統(tǒng)測(cè)試4.1測(cè)試儀器在室溫條件下，測(cè)試所用儀器如表 4-1所示。表4-1測(cè)試

14、儀器編號(hào)名稱型號(hào)1數(shù)子萬(wàn)用表UT39A2秒表XINJIE3示波器UTD2062CEL4.2指標(biāo)測(cè)試結(jié)果（1）小球在指定區(qū)域停留時(shí)間次數(shù)放置位置停留時(shí)間（秒）是否達(dá)標(biāo)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(guò)5 次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4-2所示。表4-2小球在區(qū)域2停留時(shí)間（2）小球從一個(gè)區(qū)域進(jìn)入另一個(gè)區(qū)域所用時(shí)間及停留時(shí)間。要求：控制小球從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域4,在區(qū)域4停留不少于2秒；然后再 進(jìn)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(gè)動(dòng)作總時(shí)間不超過(guò) 20秒。表4-3小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間及停留時(shí)間次數(shù)區(qū)

15、域a到區(qū)域b運(yùn)動(dòng)完成時(shí)間（秒）停留時(shí)間 （秒）是否達(dá)標(biāo)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(lái)自于攝像頭圖像的采集，一方面，采集圖像時(shí) 受環(huán)境的影響較大，使得識(shí)別小球時(shí)有錯(cuò)誤識(shí)別的情況。另一方面，由于攝像 頭是固定的，不能始終與正對(duì)著平臺(tái)，在平臺(tái)傾斜時(shí)，采集到平臺(tái)的圖像為梯 形，使得小球的位置獲取有一定誤差。5 總結(jié)滾球控制系統(tǒng)以STM32F103RC為主控制器，以NanoPi為圖像處理器， STM32根據(jù)NanoPi反饋的小球位置信息進(jìn)行 PID運(yùn)算，作用于舵機(jī)改變平臺(tái) 的傾斜角度以達(dá)到控制小球運(yùn)動(dòng)的目的。因?yàn)闈L球系統(tǒng)是通過(guò)攝像

16、頭采集圖 像，所以對(duì)硬件的搭建的要求很嚴(yán)格，為達(dá)到降低誤差的目的，要求各機(jī)械結(jié) 構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)精確，且裝配準(zhǔn)確。在設(shè)計(jì)滾球控制系統(tǒng)過(guò)程中，不僅僅提高了 動(dòng)手能力，更是提高了發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。滾球控制系統(tǒng)在硬件上還 存在著誤差，可進(jìn)一步的通過(guò)設(shè)計(jì)的合理性及精確程度來(lái)降低誤差，在軟件 上，單純的使用 PID 控制器，今后可通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)提高控制的高效性。參考文獻(xiàn)1 華成英，童詩(shī)白 . 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) （ 第四版 ）M. 北京：清華大學(xué)出版社， 2006湯兵勇等 . 模糊控制理論與應(yīng)用技術(shù) M. 北京：清華大學(xué)出版社， 2002譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)M.北京：清華大學(xué)出版社，1991徐建華. 圖像處理與分析 M. 北京：科學(xué)出版社， 1992章衛(wèi)國(guó)，楊向中 . 模糊控制理論與應(yīng)用 M. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版 社，1999全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì) .