滾球控制系統(tǒng)報告

滾球控制系統(tǒng)摘要該滾球系統(tǒng)由Kinetis―K60單片機控制模塊、位置采集模塊、板球模塊、人機交互模塊、電源模塊以及板球機械結構組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它由OV7620攝像頭進行滾球位置采集，單片機對攝像頭輸入信息進行處理，用位置式PID算法進行運算，輸出脈沖控制電機驅動為SH-20403驅動的42BYG250A電機轉動，使滑輪纏繞吊線，改變底板所受吊線的拉力，進而控制地板傾斜讓滾球到達指定位置，用人機交互模塊中的按鍵控制與題目相應程序的運行。在該滾球系統(tǒng)中，滾球可在規(guī)定時間內在不經過非指定區(qū)域條件下到達指定區(qū)域，并可以在指定區(qū)域內停留規(guī)定時間，完成了大賽本科B組基本要求。關鍵字：Kinetis―K60單片機；OV7620攝像頭；42BYG250a電機；SH-20403驅動；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化成像素的灰度值，并通過數據總線傳送給單片機，處理變成二值圖像，單片機開始對二值圖像像素點進行掃描，在圖片中尋找到滾球，并用坐標表達出滾球的位置。OV7620不斷的向單片機傳輸灰度圖像，可以時刻得到滾球位置。底板傾斜控制分析板球采集模塊用兩個42BYG250A步進電機及SH-20403做驅動系統(tǒng)。位置采集模塊采集滾球當前位置，單片機處理滾球當前位置信息調節(jié)輸出脈沖，控制兩只42BYG250A步進電機，從而實現對底板傾斜控制。算法分析本系統(tǒng)采用位置式PID算法來控制步進電機轉動的速度。電機開始工作后，位置采集模塊不斷采集當前滾球所在位置，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）的關系為：u(k)=Kp*e(k)+Ki*∑e(i)+Kd*[e(k)-e(k-1)]（式1）電路與程序設計攝像頭不斷采集滾球位置信息，傳送到單片機處理，將處理好的位置信息傳輸到PID算法中，利用PID算法控制電機，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計攝像頭將采集的灰度圖像傳輸到單片機中，單片機將圖像處理為二值圖像，通過隔行逐個像素點掃描來確定滾球位置，并將位置信息存在數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算法設計使用位置式PID算法。該算法需要讀取定值和輸入值，計算兩值偏差，根據位置式PID算法公式算出U（k），存儲U（k），將存儲數據地址右移以便存取新的當前輸入值，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)測試測試儀器秒表，高精度鋼板尺，自制區(qū)域圖紙測試結果將滾球放置在區(qū)域2，測量滾球在區(qū)域內停留的時間表4題目一測試表第一次第二次第三次停留時間（s）1310控制滾球從區(qū)域1進入區(qū)域5，測量滾球到達區(qū)域5時間，滾球投影與區(qū)域5的交疊率和滾球到區(qū)域5的時間以及在區(qū)域5停留時間。表5題目二測試表第一次第二次第三次第四次第五次到達區(qū)域5時間（s）1233.54與區(qū)域5交疊率（%）002080100在區(qū)域5停留時間（s）0.50.51.555設計總結該系統(tǒng)完成了比賽本科B組題目的基本要求的一，二。因時間問題未能完成其他基本要求和擴展部分。（一）已達到要求的系統(tǒng)制作過程：硬件方面選擇題目，根據網上資料以及實際情況討論出大體方案，并根據方案搭建物理模型。調試外設。調試電機測量脈沖個數與步進電機電機運行關。調試攝像頭根據攝像頭采集圖像效果，根據效果調整攝像頭位置，減小外界光線因素影響，使攝像頭采集到圖片最佳。整體測試軟件方面組建工程模板。編寫外設驅動，以便調試外設。編寫控制程序。3.總體測試不斷測試程序，調試程序中的重要參數，盡可能使系統(tǒng)穩(wěn)定，在測試過程中，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。沒有達到要求部分對于基本要求三，小球總是在從區(qū)域4到區(qū)域5過程中偏離，沒有達到預期的效果。如小球到達第一個設定目標后，將底板傾斜程度降低，經調試應能在規(guī)定時間內實現基本要求三。擴展要求二，可以通過矩陣鍵盤實現。每區(qū)域坐標對應一個按鍵，當按鍵按下，坐標將傳輸到PID算法中做設定值。（三）在制作時出現的問題及解決方案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，對圖像進行濾波處理后噪點并沒有完全過濾掉，依舊影響滾球位置的檢測。經過仔細觀察，發(fā)現噪點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。滾球滾離底板在運行測試程序時，滾球總是滾離底板。一方面原因是初始位置不水平，另一方面原因是因為底板傾斜角度過大，滾球因為慣性很難在期望的時間內停止。最后解決方案為將初始位置手動調至水平，改寫算法參數減緩底板傾斜角度變化，將傾斜角速度降低。但問題沒有得到實質性解決，使得基本要求三的功能沒有實現。參考文獻[1]Kenneth.R.Castl