最新滚球控制系统报告资料.docx
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最新滚球控制系统报告资料
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滚球控制系统
摘要
该滚球系统由Kinetis―K60单片机控制模块、位置采集模块、板球模块、人机交互模块、电源模块以及板球机械结构组成的闭环控制系统。
它由OV7620摄像头进行滚球位置采集，单片机对摄像头输入信息进行处理，用位置式PID算法进行运算，输出脉冲控制电机驱动为SH-20403驱动的42BYG250A电机转动，使滑轮缠绕吊线，改变底板所受吊线的拉力，进而控制地板倾斜让滚球到达指定位置，用人机交互模块中的按键控制与题目相应程序的运行。
在该滚球系统中，滚球可在规定时间内在不经过非指定区域条件下到达指定区域，并可以在指定区域内停留规定时间，完成了大赛本科B组基本要求。
关键字：
Kinetis―K60单片机；OV7620摄像头；42BYG250a电机；SH-20403驱动；位置式PID算法；闭环系统
1.系统方案
滚球控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、位置采集模块、板球模块、人机交互模块以及板球机械结构。
系统通过位置采集模块时刻采集滚球位置信息，将信息输入给单片机控制模块，单片机对输入的信息进行处理，通控制脉冲发生器，通过一定方法让底板发生倾斜,控制滚球运动。
人机交互模块中的按键选择程序运行。
图1系统结构图
1.板球模块方案的选择与论证
方案一：
将推杆电机作为支撑放于板下，通过推杆电机的推动使底板发生倾斜。
方案二：
将两个42byg250a电机固定到顶板，在上面捆绑上吊线，经过顶板滑轮固定到底板，使底板悬空，通过电机的转动拉动吊线使底板发生倾斜。
两方案比较之后我们选择方案二为滚球控制系统方案。
两方案比较如表一所示表1板球模块方案比较
方案一
优势
抗外力自然因素干扰强，结构不复杂，很经典的滚球控制方式资料便于查找。
劣势
推杆电机在推板过程中会滑动产生相对位移，推杆电机反应慢，每次电机运行反转方向的误差会累计。
方案二
优势
42byg250a电机反应快，电机运行反转方向时延时小，误差可以忽略，对应算法控制编写较容易，结构简单。
劣势
底板靠四吊绳悬挂，容易产生晃动，抗干扰能力较差。
2.滚球位置采集方案的选择与论证
采集滚球外设有两种选择，一是触摸屏，二是摄像头。
由于使用触摸屏有功耗大，灵敏度较低，易损坏，价格高、滚球轨迹不直观等缺点。
我们决定用摄像头作为滚球位置的测量外设。
使用摄像头有两种方案：
OV7620，OV7670。
滚球和底板颜色差距大，我们只关心图像的灰度值，并不是需要他们的彩色值。
所以我们选择OV7620摄像头做为滚球位置采集外设。
两种方案特点如下：
表2OV7620，OV7670特点
特点
方案一：
OV7620
默认输出RGB彩色图像。
方案二：
OV7670
输出的是灰度值Y
3.控制算法的选择
方案一：
采用模糊控制算法模糊控制是通过计算机完成人们用自然语言所描述的控制活动。
方案二：
采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。
根据两种方案对比,题目要求和实际情况，我们选择PID算法作为控制算法.方案对比如表三：
表3模糊算法和PID算法比较
方案一
优点
不需要事先知道对象的数学模型,系统响应快、超调小、过渡过程时间短。
缺点
稳态精度不高，需要大量计算，运算复杂。
方案二
优点
计算量小，运算简单。
缺点
容易产生超调。
2.系统理论分析与计算
1.滚球位置的测量与计算
选择和底板颜色相差大的滚球，通过摄像头OV7620采集图像，OV7620把板和球的亮暗程度转化成像素的灰度值，并通过数据总线传送给单片机，处理变成二值图像，单片机开始对二值图像像素点进行扫描，在图片中寻找到滚球，并用坐标表达出滚球的位置。
OV7620不断的向单片机传输灰度图像，可以时刻得到滚球位置。
2.底板倾斜控制分析
板球采集模块用两个42BYG250A步进电机及SH-20403做驱动系统。
位置采集模块采集滚球当前位置，单片机处理滚球当前位置信息调节输出脉冲，控制两只42BYG250A步进电机，从而实现对底板倾斜控制。
3.算法分析
本系统采用位置式PID算法来控制步进电机转动的速度。
电机开始工作后，位置采集模块不断采集当前滚球所在位置，并与之前的滚球所在位置相比较，使得底板倾斜逐渐变化。
PID算法控制器由滚球位置误差比例P、滚球位置误差积分I和滚球位置误差微分D组成。
其输入e（k）与输出U（k）的关系为：
u（k）=Kp*e（k）+Ki*∑e（i）+Kd*[e（k）-e（k-1）]（式1）
3.电路与程序设计
摄像头不断采集滚球位置信息，传送到单片机处理，将处理好的位置信息传输到PID算法中，利用PID算法控制电机，来完成目的。
总流程图如图二所示。
图2总流程图
1.滚球位置采集处理设计
摄像头将采集的灰度图像传输到单片机中，单片机将图像处理为二值图像，通过隔行逐个像素点扫描来确定滚球位置，并将位置信息存在数组中传输给控制算法。
流程图如图三所示。
图3滚球位置采集处理流程图
2.PID算法设计
使用位置式PID算法。
该算法需要读取定值和输入值，计算两值偏差，根据位置式PID算法公式算出U（k），存储U（k），将存储数据地址右移以便存取新的当前输入值，然后返回最初步骤。
算法流程图如图四所示。
图4PID算法流程图
4.系统测试
1.测试仪器
秒表，高精度钢板尺，自制区域图纸
2.测试结果
1）将滚球放置在区域2，测量滚球在区域内停留的时间
表4题目一测试表
第一次
第二次
第三次
停留时间（s）
1
3
10
2）控制滚球从区域1进入区域5，测量滚球到达区域5时间，滚球投影与区域5的交叠率和滚球到区域5的时间以及在区域5停留时间。
表5题目二测试表
第一次
第二次
第三次
第四次
第五次
到达区域5时间（s）
1
2
3
3.5
4
与区域5交叠率（%）
0
0
20
80
100
在区域5停留时间（s）
0.5
0.5
1.5
5
5
5.设计总结
该系统完成了比赛本科B组题目的基本要求的一，二。
因时间问题未能完成其他基本要求和扩展部分。
（一）已达到要求的系统制作过程：
1．硬件方面
1）选择题目，根据网上资料以及实际情况讨论出大体方案，并根据方案搭建物理模型。
2）调试外设。
1 调试电机
测量脉冲个数与步进电机电机运行关。
2 调试摄像头
根据摄像头采集图像效果，根据效果调整摄像头位置，减小外界光线因素影响，使摄像头采集到图片最佳。
3）整体测试
2．软件方面
1）组建工程模板。
2）编写外设驱动，以便调试外设。
3）编写控制程序。
3.总体测试
不断测试程序，调试程序中的重要参数，尽可能使系统稳定，在测试过程中，用一定方法将把硬件因摩擦力，惯性等因素造成的误差尽可能缩小，编写软件来消除硬件无法消除的误差。
（2）没有达到要求部分
对于基本要求三，小球总是在从区域4到区域5过程中偏离，没有达到预期的效果。
如小球到达第一个设定目标后，将底板倾斜程度降低，经调试应能在规定时间内实现基本要求三。
扩展要求二，可以通过矩阵键盘实现。
每区域坐标对应一个按键，当按键按下，坐标将传输到PID算法中做设定值。
（三）在制作时出现的问题及解决方案
1.无法确定滚球的位置
将灰度图像处理成二值图像之后，有很多噪点，对图像进行滤波处理后噪点并没有完全过滤掉，依旧影响滚球位置的检测。
经过仔细观察，发现噪点来源于底板没有覆盖的地面以及地面的反光。
最后将摄像头传入图像进行裁剪，只剩下底板图像信息，在合适的位置安装光源，使问题得到了解决。
2.滚球滚离底板
在运行测试程序时，滚球总是滚离底板。
一方面原因是初始位置不水平，另一方面原因是因为底板倾斜角度过大，滚球因为惯性很难在期望的时间内停止。
最后解决方案为将初始位置手动调至水平，改写算法参数减缓底板倾斜角度变化，将倾斜角速度降低。
但问题没有得到实质性解决，使得基本要求三的功能没有实现。
参考文献
[1]Kenneth.R.Castlemen.数字图像处理.北京：
电子工业出版社，1998,170~187
[2]李丽萍．图像去噪方法研究[D].湖北：
长江大学，2012．
[3]刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统.黑龙江：
哈尔滨工业大学出版社,1997
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