滾球控制系統(tǒng)設計報告10頁

1、2017年全國大學生電子設計競賽設計報告滾球控制系統(tǒng)（B題）【本科組】 摘要：本系統(tǒng)采用STM32F103ZET6最小系統(tǒng)板為控制中心，利用OV7670攝像頭、顯示器、按鍵、S010舵機、小球、萬向節(jié)、平板支架構成滾球控制系統(tǒng)。單片機利用攝像頭采集到的數(shù)據(jù)，確定小球的位置坐標，通過PID閉環(huán)控制舵機PWM輸出打角拉動支撐桿，控制平板傾斜度達到小球滾到指定區(qū)域停留等狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)采用PID算法組成閉環(huán)控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性，此外通過TFT顯示屏顯示小球位置，各個功能的實現(xiàn)可以通過按鍵輸入。I一、系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、攝像頭模塊、LCD顯示屏模塊、電源模塊、舵機及平板機械支架構成組

2、成。STM32作為滾球系統(tǒng)的控制核心，利用攝像頭采集過來的數(shù)據(jù)通過黑白二值化，以此判別平板和黑色球并顯示在LCD上。攝像頭對滾球準確定位，確定其坐標位置，同時記錄平板規(guī)定的9個區(qū)域坐標，單片機通過返回的坐標位置結合PID算法，給定舵機PWM輸出形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而控制小球去到指定區(qū)域保持平衡。同時，可通過矩陣按鍵選擇功能模式，與設計任務一一對應的，系統(tǒng)的總體方案框圖見圖1。圖1 系統(tǒng)總體方案框圖1、主控制器件的論證與選擇方案一：采用STC89C52單片機作為控制模塊的核心。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。但其能使用的I/O口

3、很少，ROM空間不足，不適合采用STC89C52為主控芯片。方案二：采用STM32103FZET6單片機為主控器。STM32運行速度快，片上資源豐富，具有很多外圍接口，可拓展性強，靈活性高。完全可以實現(xiàn)本系統(tǒng)的各個設計任務，具有良好的響應速度。 通過比較，我們選擇方案二。2、滾球控制系統(tǒng)方案選擇方案一：采用MPU6050三軸陀螺儀。利用三軸陀螺儀可以算出平板的當前位置姿態(tài)，具有測量精確、結構簡單等優(yōu)點，但考慮到小球需要到平板指定的9個區(qū)域，MPU6050傳感器很難確定其準確位置，可靠性差。方案二：選用攝像頭對小球準確定位，根據(jù)題目給出的具體要求，采集攝像頭檢測到的數(shù)據(jù)傳給單片機二值化處理，以此

4、確定小球的位置坐標以及與目的坐標的偏差，反饋給單片機，實現(xiàn)更加精確的控制，而且通過LCD顯示，更加直接有利于調試。綜合以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。 3、滾球運動控制的論證與選擇方案一：采用推桿直線電機。電推桿是通過將電動機的旋轉運動轉變?yōu)橥茥U往復直線運動的電力驅動裝置。利用多個電推桿可推動平板進行上下運動，但電推桿響應速度慢，而且需要很大的驅動電流，消耗功率大，還要加裝繼電器保護，比較繁瑣。方案二：采用S010舵機。該舵機為伺服電機，通過舵柄轉換成旋轉運動來打到不同的角度，再加上裝支撐桿就可以控制平板的上下運動。舵機三條控制線，分別為：電源、地及信號線，不需要驅動模塊，只要單片機輸出信號P

5、WM就可以控制舵機打角。綜合考慮采用方案二。4、顯示器的論證與選擇方案一：采用OLED顯示器。該顯示屏可顯示漢字，不需用到背光板，具有輕薄短小、低耗電量，但為單色顯示，界面效果受限。方案二：選用TFTLCD顯示器。TFTLCD顯示屏分辨率高，真彩顯示，可顯示的界面豐富。方便繪圖和編程控制，更有利于人機界面的操作控制，適用于較為功能性強的的控制系統(tǒng)。綜合以上兩種方案，選擇方案二。二、系統(tǒng)理論分析與計算1、小球的精準定位分析 通過OV7670攝像頭采集圖像進行二值化處理，用兩個嵌套for循環(huán)可以計算得出小球在x軸和y軸上被掃描到最邊上的兩個值x-min、x-max和y-min、y-max，然后分別

6、將x軸和y軸的最大最小值求和，再除以2，就可以得出小球的坐標x和y值。2、執(zhí)行機構裝置的分析 方案一：采用4個舵機作為執(zhí)行機構，對稱分布在平板四周，通過4個舵機不同的PWM輸出來控制平板的運動從而控制小球的滾動，但4個舵機控制存在很大的不確定性，算法較為復雜。方案二：采用2個舵機和一根帶萬向節(jié)的支撐桿等邊三角形分布，構成執(zhí)行機構。采用二維平面X,Y方向來控制平板的運動，另外一根帶萬向節(jié)的支撐桿起到很好的連動作用，機械上更加簡單，易于PID算法控制。綜上以上方案，選擇方案二。3、控制PID的計算 在系統(tǒng)控制中，按偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)進行控制的PID控制。以下是PID的公式:u

7、(t)=Kpet+1Ti0tetdt+Tdde(t)dt控制點目前包含三種比較簡單的PID控制算法，分別是：增量式算法，位置式算法，微分先行。鑒于本系統(tǒng)通過小球坐標與目標位置坐標的偏差，只調節(jié)比例P、微分D的PD的增量式算法，即利用目的坐標與偏差的PD調節(jié)，控制滾球閉環(huán)控制系統(tǒng)，達到穩(wěn)態(tài)無靜差。三、電路與程序設計1、電路的設計采用STM32ZET6最小系統(tǒng)板，外接攝像頭模塊、顯示模塊、按鍵模塊、電源模塊及舵機執(zhí)行機構。外設接口模塊電路見圖2。圖2 外設接口電路（2）電源模塊單片機采用3.3V供電，顯示器5V供電以及舵機6V供電。電源電路見附錄1。2、程序的設計（1）程序功能描述與設計思路1、程

8、序功能描述根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)鍵盤的設置和顯示。1）鍵盤實現(xiàn)功能：采用3乘3的矩陣鍵盤，從左到右，從上到下依次排序，按鍵1至7依次控制開啟和關閉任務1-7的要求，按鍵9為PID調節(jié)模式控制按鈕。PID調節(jié)模式中按鍵4和7為調節(jié)平板內部區(qū)域的KP1值大小，按鍵5和8為調節(jié)平板內部區(qū)域的KD1值大小，按鍵5和8為調節(jié)平板邊緣區(qū)域的KP2值大小；2）顯示部分：顯示小球的在平板上坐標，任務需要到達的坐標，實時坐標值與目標坐標值的差值，平板上的9個區(qū)域，小球的模擬圖像，兩個舵機的輸出值，任務序號，任務計時時間，小球在區(qū)域停留的時間。2、程序設計思路進入系統(tǒng)，先選擇進入校準模式，按鍵調節(jié)舵機的輸出

9、值，以達到平板的平衡，并保存為平衡值；通過OV7670攝像頭采集平板的圖像二值化，并把二值化圖像顯示在LCD屏上以找到區(qū)域1、5、9并保存重新定義區(qū)域位置來減少調節(jié)平板和攝像頭因碰撞或搬運的而產(chǎn)生的誤差。通過二值化尋到小球坐標，與目標坐標的差值，通過PD算法，調節(jié)舵機的輸出值來調節(jié)平板的上下運動，讓小球達到任務所需要的目標坐標。（2）程序流程圖1、主程序流程圖四、測試方案與測試結果1、測試方案（1）硬件測試檢測焊接的單片機外接設備能否正常工作，攝像頭采集顯示到顯示屏是否穩(wěn)定并判別平板和小球；檢測電源提供的電壓、電流供模塊使用是否達到穩(wěn)壓值；平板及舵機裝置靜置是否平衡；檢測按鍵能否實現(xiàn)不同任務。

10、（3）硬件軟件聯(lián)調通過按鍵和TFTLCD顯示器達到人機交互，測試滾球運動與實際偏差可以按按鍵選擇調節(jié)KP1、KD1系數(shù)，控制舵機PWM輸出，調試滾球控制系統(tǒng)。2、測試條件與儀器測試條件：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，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。測試儀器：萬用表、水平儀、秒表。3、測試結果及分析（1）測試結果(數(shù)據(jù))滾球控制系統(tǒng)工作，將小球置于平板區(qū)域1上，記錄平板開始運動使小球達到中心區(qū)域平衡的時間，測定其最佳的PD參數(shù)。 KP KD67891.36s7s6s10s1.64s5s6s6s1.97s7s8s9s 任務1：穩(wěn)定小球在區(qū)域2，停留不少于5s。任務2：控制

11、小球由區(qū)域1進入?yún)^(qū)域5，在區(qū)域5停留不少于2s。 測試次數(shù)第一次測試第二次測試第三次測試第四次測試時間（s）4554任務3：控制小球由區(qū)域1進入?yún)^(qū)域4，在區(qū)域4停留不少于2s，再進入?yún)^(qū)域5停留不少于2s。測試次數(shù)第一次測試第二次測試第三次測試第四次測試達到區(qū)域4時間4555停于區(qū)域5時間1091210任務4：控制小球由區(qū)域1進入?yún)^(qū)域9，在區(qū)域9停留不少于2s。測試次數(shù)第一次測試第二次測試第三次測試第四次測試時間（s）20191514（2）測試分析與結論根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，通過調節(jié)PD參數(shù)，控制平板的傾斜程度，使小球進入?yún)^(qū)域和沖過區(qū)域的不同狀態(tài)具有良好的跟隨性、準確性、快速性，由此可以得出以下結論

12、：1、單獨增大KP，KD不變，平板傾斜度更大，小球滾動趨勢大，當小球距離目的坐標近時，平板也會有大的傾角。2、微分KD起到微調和超調的作用，當小球靠近區(qū)域圓時，有剎車防止小球沖過區(qū)域的作用。結合適當?shù)谋壤齂P參數(shù)，微調微分KD，系統(tǒng)可以有較好的跟隨性和穩(wěn)定性。3、通過實驗證明，當小球在規(guī)定的9個圓形區(qū)域時，設置比例參數(shù)KP為1.6，微分參數(shù)KD為6，小球達到目標區(qū)域時間短；當小球在圓形區(qū)域外時，KP取值為5，使平板有大的傾角，足夠將小球拉回來。4、采用動態(tài)P，設計小球從1到9區(qū)域的路線使其有較好的緩沖，克服因P值太大給小球的慣性沖出平板。綜上所述，本設計達到設計要求。五、參考文獻1譚浩強.C語

13、言程序設計M.北京:清華大學出版社,2012.2 張興.電力電子技術M.科學出版社,2010.3 孫林軍.基于STM32控制液晶的接口實現(xiàn)J.電視技術,2013.4 韓國棟.Altium Designer Winter 09電路設計入門與提高M.化學工業(yè)出版社,2010.附錄1：電路原理圖附錄1 系統(tǒng)電路原理圖附錄2：源程序#include stm32f10x_it.h #include led.h#include delay.h#include key.h#include sys.h#include lcd.h#include usart.h#include timer.h#include

14、dj_pwm.h#include ov7670.h#include exti.h#include extern u8 ov_sta;extern u8 ov_frame;u8 key;/按鍵標志位int test=0;/測試標志位u16 PWM_X=160,PWM_Y=150;/A1,A2腳的pwm輸出u16 PWM_X_init=160,PWM_Y_init=150;/A1,A2初始值u16 PWM_X_Min=125,PWM_Y_Min=115;/PWM輸出限幅外區(qū)域u16 PWM_X_Max=195,PWM_Y_Max=185;u16 PWM_X_Min2=135,PWM_Y_Min2=

15、125;/PWM輸出限幅內區(qū)域u16 PWM_X_Max2=185,PWM_Y_Max2=175;u8 PWM_Value=1;/按鍵可改變PWM數(shù)值u8 Task_flag=0;/任務標志u8 Task_flag2=0;/任務標志2u16 Task_time=0;/任務時間u16 Stop_time=0;/區(qū)域停留時間u8 time_Task_flag=0;u8 time_Stop_flag=0;float Kp1=1.6,Kd1=6;/1 P和D 在圓內float Kp2=3;/2 在圓外u16 GOAL_X=120,GOAL_Y=80;/目標坐標float Err_X,Err_Y=0;/

16、坐標差值float Err_X_LAST,Err_Y_LAST=0;u8 ball_r=5,QY_r=6,WC_value=1;/小球半徑，允許誤差 *0.25cmu16 X,Y=0;/小球的質心位置u16 X_MAX=0, X_MIN=240; /小球的坐標u16 Y_MAX=40, Y_MIN=280;u16 X_MAX_LSAT, X_MIN_LSAT, Y_MAX_LSAT, Y_MIN_LSAT=0; /上一次小球的坐標位置u16 X_MIN_RANGE=0,X_MAX_RANGE=240;/掃描判斷區(qū)域u16 Y_MIN_RANGE=40,Y_MAX_RANGE=280;u8 QY

17、_number=0;/所在的區(qū)域u16 QY_X1=40,QY_X2=120,QY_X3=200;/區(qū)域坐標 行X 40 120 200u16 QY_Y1=80,QY_Y2=160,QY_Y3=240;/區(qū)域坐標 列Y 80 160 240void KEY_RUN(void);void camera_refresh(void);/更新攝像頭void PWM_Control(void);/更新PWM輸出void LCD_Control(void);/更新LCD顯示void location(void);/更新位置判別void Test(void);/校準測試void Test_Blance(vo

18、id);/校準測試1平衡void Test_OV1(void);/校準測試2攝像頭1void Test_OV5(void);/校準測試3攝像頭5void Test_OV9(void);/校準測試4攝像頭9void Task(void);/任務函數(shù)void Done_Task(void);/更新任務進度void Fand_Goal(void);/尋小球坐標函數(shù) int main(void) delay_init(); /延時函數(shù)NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); uart_init(115200); LED_Init(); KEY_Init();LCD_Init(); LCD_Clear(WHITE);POINT_COLOR=BLACK; /設置字體黑色 PWM_X=PWM_X_init; /賦值PWM輸出PWM_Y=PWM_Y_init; DJ1_PWM_INIT(499,719,PWM_X,PWM_Y);/舵機頻率200HZ 50-250 60-240 中值160 160 TIM2P2-A1 TIM2P3-A2 LCD_ShowString(50,150,150,24,24,(unsigned char*)Waiting .);while(OV7670_Init(); /初始化OV76