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1、2017年全国大学生电子设计竞赛滚球控制设计报告作者:日期:2017年TI杯江苏省大学生电子设计竞赛题目：滚球控制系统题目编号：B参赛队编号：XZ037参赛队学校：参赛队学生：2017年8月12日摘要：本设计是以STM32单片机为核心、采用视觉检测技术的的滚球控制系统，实现对小球在平板滚动的精确控制功能。本设计基本模块包括MCU摄像头、显示屏、机械平台、按键输入，其中MCI即卩STM32F429开发板，摄像头采用OV2640显示屏选择7寸TFT触摸屏。通过摄像头获得图像数据，分析小球位置来控制平板倾斜，达到控制小球的目的。关键词：单片机STM32视觉检测、图像识别、OV2640Abstract
2、:ThisdesignisbasedonSTM32single-chipmicrocomputerandtheballrollingcontrolsystemwithvisualdetectiontechnologytorealizetheprecisecontrolfunctionofthepelletrolling.ThebasicmodulesofthisdesignincludeMCU,camera,display,mechanicalplatform,keystrokeinput,amongwhichMCUistheSTM32F429developmentboard,thecamer
3、aadoptsOV2640,andthedisplayscreenselectsthe7-inchTFTtouchscreen.Theimagedataisobtainedbythecamera,andthepositionoftheballisanalyzedtocontrolthetiltoftheplatetoachievethegoalofcontrollingthepellet.Keywords:OV2640VisionDetectionTechnology、ImageIdentification目录一前言4二系统方案设计51平板控制方案52位置采集方案53小球材料方案5三理论分析与
4、计算61小球位置的分析与计算62控制算法分析6四电路与程序设计71系统程序流程设计72摄像头电路73视觉定位流程设计74舵机的控制思路8五系统测试81测试仪器82测试方案及结果86总结9、八、刖言题目要求我们在3cm直径的圆内稳定2cm左右的小球，精度很高。本实验首要问题就是要解决获取小球位置的难题。为此，我们采用摄像头采集数据，单片机分析小球位置，与目标位置相比获得控制输入量，控制平板机械结构运动。二系统方案设计1平板控制方案方案一：推杆电机上下推动，这种方案材料易得，平板稳定，但是无法控制行程，甚至需要mpu605C加入第二个控制环。方案二：步进电机+丝杆，有现成器材，行程可控，速度可调，
5、容易实现PID但机械结构难以组装。方案三：舵机，角度与占空比成线性关系，不存在失步，力矩大。在可行性与精确度指标上比较过后，决定采用方案三。2位置采集方案方案一：在木板X与丫边缘分布大量光电收发二极管，为了实现题目要求3cm以内的定位，每侧需要60/3=20个。难度低，但需要大量IO口，精度也很不理想。方案二：摄像头采集数据，精度高，大量DMA中断操作使得PWM很不精确,导致舵机不稳定。经过讨论，我们决定使用方案二。3小球材料方案方案一：木球，重量轻，有利于快速反应。但是不太圆方案二：铁球，惯性大，加速度慢，有利于稳定。方案三：选用RoboMaster比赛的子弹。此圆球质量适中，漫反射材料有利
6、于小球像素提取。但是不容易获取。多次实验并比较之后，我们采用方案二。三理论分析与计算1小球位置的分析与计算OV264Q是高像素的emos摄像头，但现有模块中没有FIFO,存取速度极大影响了主程序运行，因此采用DMA不经CPU专送数据，配合STM32F系列特有的DCM节省运算资源。小球的质心有多种方法计算。由于板上只有一个小球，采用霍夫圆变换消耗过多运算资源得不偿失；获取小球上下左右四顶点求平均方法很简单，精度足够；本设计中采用小球坐标相加求平均，即质心。对于图像中的噪点，通过检测两个连续的像素点，来粗略判断是否是小球。我们采用180个像素点来显示Y轴坐标值，误差60cm/180=3.33mm小
7、球2cm在圆心处距离圆边界有5mm因此误差可满足精度要求，但对控制要求较高。2控制算法分析平板倾斜角与舵机转角成正比，而舵机转角与占空比成正比。即控制倾斜角度仅需设定占空比。本系统采用PID算法来控制角度。系统开始工作后，摄像头不断采集当前小球坐标，并与设定坐标比较，使得舵机的运动逐渐趋向平稳。PID算法控制器由舵机转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。其输入e(t)与输出U(t)的关系为：u(0=P*+它的传递函数为:位置误差比例P:对平板角度进行比例调整，即对PW占空比调整。比例越大，调节速度越快。过大可能造成平板工作状态突变而使小球不稳定。位置误差积分I:使系统消除稳态误差，提
8、高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。由于小球滚动速度很快，需要很快响应速度，因此，本系统对积分调节就非常弱。即保证在不需要时系统不会受到影响。位置误差微分D:微分作用反映平板角度的变化率，能预见偏差变化的趋势。因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，减少调节时间。四电路与程序设计1系统程序流程设计2摄像头电路OVDfianiHOCSJdD列NDAGXDV0CJJIIC1SDND3视觉定位流程设计像素获取P口XEJC%-i腿EFflII:.盯丫冲：门：OVXVCIJK匕4小puiysiw|E心匚T
9、&7PCLK.HREFVSYKCXCLKPUN魁纯1%iSTROBE【EXPST.HLntExDVifrrt1TLEJI-GNDTHRUnvnn1X1VDDEVDDElTDSWDsranaatd|GTOYUIscvcc|-=jfispan-i-32_OOffikEhfOKDXrWNEGDDOONDTXJNDMND卫:A严!WDL匸叫PH：氏TDC3.J：eQax斗GNDasDiVCC3JTdHI.打耳mtaFCREFKFS.J-T获取小球4舵机的控制思路在使用舵机的过程中，我们发现角度与占空比，并不是严格的线性关系。粗略描绘散点图后，我们采用两段一元方程对其进行近似。如：if(PID0)pwm
10、=-PID/25+60;60是我们实际调整平板平衡时的占空比elsePwm=-PID/30+60;/25与30是我们测试近似的系数五系统测试1测试仪器(1)量角器(2)T型尺2测试方案及结果表1:基本要求测试目标值1实际值1误差值1目标值2实际值2误差值21(30，98)(28,99)(2,-1)(100,30)(96,33)(4,3)2(30,98)(32,100)(2,2)(100,100)(93,96)(7,4)3(30,98)(31,99)(1,-1)(200,200)(194,207)(6,-7)表2:发挥部分1、2测试时间(s)目标值实际值误差值第一步13(100,30)(95,2
11、8)(5,2)第二步13(198,99)(192,97)(6,2)第三步15(199,199)(194,195)(5,4)3测试数据分析发挥部分的实际测试中发现，误差值总是有趋势地向某一方向偏移。通过有意识将目标值向误差反方向移动，实际值则与题目要求非常符合。分析之后我们发现，由于我们用的小球并不是完美圆形，某一面总是弧度更小，滚动时在这里更容易停止。通过对比集几种不同材质的运动路径，我们发现质量越大的球惯性越大，算法收敛时更趋向稳定，但当算法发散时则容易滚出平板外，如铁球便属于这种材质。而质量小的球如木球，惯性较小，角度稍大容易导致失控，所以我们调节时，比例系数要设定的很低。6总结本系统使用
12、STM32F4系列单片机，频率高达168MHz片内有DCMI图像接口，方便我们接收处理图像，优势明显。设计中使用软件二值化，之后对图像进行初步的降噪处理，通过简单的算法识别小球质心，实现了基于视觉检测控制小球滚动的目的。由于时间短暂，本系统并不完美，还有很多地方可以改进，如：（1）使用3级的Canny算子对图像进行处理，检测出明显轮廓，使得本设计对视觉要求降低许多，镜头内可以出现任意干扰、不必担心小球反光、平板的位置可以随意摆放。（2）使用霍夫圆变换检测小球位置，可以忽略图像内噪点的影响，使位置检测更稳定。（3）使用卡尔曼滤波预测小球位置，可以极大程度上减小系统时延，提高精度。通过本次赛前准备，接触到了很多技术，学到了很多知识。虽然今年的电子设计大赛已经结束，但是要学习的东西还有很多，以后也一定要努力学习电子知识。
2017年全国大学生电子设计竞赛滚球控制设计报告
