魯放 張宸赫 鄭晗

摘要 本系統(tǒng)采用STM32F103VET6為主控芯片，K60為輔助芯片，通過(guò)OV7725攝像頭傳感器提供信息、采用PID控制算法調(diào)整舵機(jī)的工作狀態(tài)、在液晶和按鍵的作用下顯示并切換工作模式，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)各舵機(jī)，使小球在一平板上做預(yù)定運(yùn)動(dòng)，同時(shí)保持小球在該系統(tǒng)中的穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】平板 STM32單片機(jī) OV7725 攝像頭舵機(jī)LCD

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

在邊長(zhǎng)為65cm光滑的正方形平板上均勻分布著9個(gè)外徑3cm的圓形區(qū)域，其編號(hào)分別為1-9號(hào)。設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，通過(guò)控制平板的傾斜，使直徑不大于2.5cm的小球能夠按照指定的要求在平板上完成各種動(dòng)作，并從動(dòng)作開(kāi)始計(jì)時(shí)并顯示，單位為秒。

2 系統(tǒng)分析

對(duì)小球進(jìn)行受力分析，理想狀態(tài)下，小球的加速度與板的傾角程正比例關(guān)系，其關(guān)系式為a=gsmx，x為板子傾斜角度，速度為a的積分，位移為速度的積分。如果取速度為直接控制量的話，那角度與速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系是直接的線性關(guān)系。假設(shè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)與板子傾斜度的傳遞函數(shù)值為1，那么P控制可以完美控制小球的速度，進(jìn)而控制小球的位移。但實(shí)際系統(tǒng)中，小球的加速度與板子傾

斜角度并非完全是線性關(guān)系，此時(shí)要加D及時(shí)修正，并且小球與平板存在靜摩擦，有時(shí)給一定傾斜角度并不會(huì)使其運(yùn)動(dòng)，所以要加I進(jìn)行補(bǔ)償，但是I的滯后非常嚴(yán)重，不適用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，故應(yīng)采用積分分離的PID控制方法來(lái)控制小球的速度。如果要得到良好的位移相應(yīng)曲線，能控制速度從根本上解決超調(diào)失調(diào)的現(xiàn)象。故本題可采用串級(jí)PID的方式，將當(dāng)前位移差期望的速度送到內(nèi)環(huán)PID去修正補(bǔ)償，以追隨當(dāng)前期望速度，具體算法在后續(xù)文字中有部分說(shuō)明。可近似為a=gx。

3 模塊選型

控制模塊：控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，承載著執(zhí)行控制算法，實(shí)現(xiàn)控制功能的作用。因此，要保證系統(tǒng)整體的控制質(zhì)量，控制器的選擇非常重要！在控制器的選擇方案中，選擇技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛的STM32作為主控芯片。

檢測(cè)模塊：檢測(cè)模塊是系統(tǒng)的“眼睛”，從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)的控制精度，在進(jìn)行選型時(shí)統(tǒng)籌考慮檢測(cè)精度與檢測(cè)速度，再進(jìn)行眾多比較后選擇兼具速度與精度的OV7725搭配K60最小系統(tǒng)板初步處理原始觀測(cè)數(shù)據(jù)組成檢測(cè)模塊。

動(dòng)力裝置：動(dòng)力裝置作為本控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是控制系統(tǒng)中的重要組成部分。它將控制器送來(lái)的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成執(zhí)行動(dòng)作，從而操縱作用于被控對(duì)象的能量，將被控變量維持在所要求的數(shù)值上或一定的范圍內(nèi)。考慮到反應(yīng)時(shí)間與可控性，選擇了兩個(gè)力矩為20千克的舵機(jī)組成動(dòng)力裝置。

外圍模塊：本系統(tǒng)中的外圍模塊為輔助調(diào)節(jié)的模塊，主要為按鍵模塊與LCD顯示模塊，在多個(gè)任務(wù)切換中，可以使用按鍵模塊加以控制，同時(shí)LCD顯示模塊予以提示與實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便控制人員操作，提供一個(gè)良好的人機(jī)交互環(huán)境。

電源模塊：在該控制系統(tǒng)中，要完成控制任務(wù)必須保證提供充足的動(dòng)力。在考慮到對(duì)舵機(jī)的供電以及對(duì)電源穩(wěn)定性的要求后，舍棄了長(zhǎng)時(shí)間使用后電壓會(huì)產(chǎn)生浮動(dòng)的鋰電池，而使用開(kāi)關(guān)電源搭配降壓模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的動(dòng)力支持。

4 方案原理設(shè)計(jì)

平板上的小球會(huì)根據(jù)平板的傾角方向和大小進(jìn)行可預(yù)計(jì)的運(yùn)動(dòng)，預(yù)設(shè)坐標(biāo)系之后，使用攝像頭得到平板上規(guī)定區(qū)域的圖像，進(jìn)行分析后可以將得到的圖像二值化進(jìn)而方便辨別出小球位置，并且高頻率的獲取圖像，根據(jù)兩次小球位置的差值和獲取位置的間隔時(shí)間可以得到小球運(yùn)動(dòng)的方向和速度，通過(guò)對(duì)小球的運(yùn)動(dòng)方向和速度進(jìn)行程序上的計(jì)算轉(zhuǎn)化為舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，通過(guò)該旋轉(zhuǎn)角度影響平板的傾角，進(jìn)而影響小球的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)攝像頭獲得調(diào)整后的小球位置，運(yùn)動(dòng)方向和速度反饋到主控芯片，以此形成一個(gè)閉環(huán)控制，達(dá)到控制小球做規(guī)定運(yùn)動(dòng)的目的。

5 程序細(xì)節(jié)與分析

在小球的數(shù)據(jù)獲取中，將每一次獲取到的圖像信息進(jìn)行了二值化處理，將顏色與平板顏色相差較大的小球的位置信息更加明顯的突出出來(lái)以便于進(jìn)一步分析。獲取到圖像的二值化數(shù)據(jù)后對(duì)像素點(diǎn)開(kāi)始遍歷查詢，查詢到疑似小球的像素點(diǎn)時(shí)進(jìn)行大小的判斷過(guò)濾，將噪點(diǎn)過(guò)濾掉，以得到正確的小球坐標(biāo)。

在主控芯片中，使用串級(jí)PID控制程序來(lái)共同對(duì)小球的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將獲取到的小球位置坐標(biāo)與計(jì)算出的速度作為輸入量分別將其輸入到PID程序中進(jìn)行運(yùn)算，得到期望的角度并控制舵機(jī)達(dá)到目標(biāo)。該算法使用速度作為直接控制量，其變化率理想狀態(tài)下與木板傾斜角度成正比例關(guān)系，并且對(duì)過(guò)程控制效果極好，經(jīng)測(cè)試，小球放在絕大多數(shù)位置，超調(diào)量都小到可以忽略，所以該算法再合適不過(guò)

在算法程序之外，同時(shí)定義起舵機(jī)角度與平板傾角的對(duì)應(yīng)關(guān)系和平板上各個(gè)預(yù)留區(qū)域的范圍坐標(biāo)，將這些定義為標(biāo)準(zhǔn)量在程序中進(jìn)行調(diào)用，將程序處理的準(zhǔn)確性得到提升。

程序是控制系統(tǒng)的“大腦”，必須保證其及時(shí)性和準(zhǔn)確性，在經(jīng)過(guò)多次調(diào)試后我們每20ms得到一次小球的位置坐標(biāo)和速度，根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)不同，主控程序每運(yùn)行一次的時(shí)間在50ms～60ms之間，完全達(dá)到完成設(shè)計(jì)任務(wù)的需求。

6 測(cè)試結(jié)果與誤差分析

預(yù)設(shè)在每個(gè)預(yù)設(shè)區(qū)域的停留時(shí)間為2.5s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果則顯示略大于該數(shù)值，但也為正?，F(xiàn)象。從區(qū)域1到區(qū)域4的平均用時(shí)7.29s，從區(qū)域4到區(qū)域5的平均用時(shí)為6.204s，位移量應(yīng)大致相等，但所用時(shí)間卻有明顯差距，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)原因在與在靠近平板中間的區(qū)域更容易控制，對(duì)比邊緣位置較少的抖動(dòng)，因而更容易控制，所用時(shí)間也較短。

7 測(cè)試總結(jié)

在多次對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的測(cè)試中，該控制系統(tǒng)能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)很好的完成各項(xiàng)任務(wù)，并有較好的復(fù)現(xiàn)能力，并且發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速度并不是越快越好，例如我們發(fā)現(xiàn)攝像頭快速采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多噪聲，甚至在小球運(yùn)動(dòng)至視野邊緣時(shí)會(huì)產(chǎn)生當(dāng)前位置與原點(diǎn)位置的跳變，適當(dāng)?shù)慕档筒杉l率則大幅度緩解了這種現(xiàn)象。一個(gè)跟當(dāng)前系統(tǒng)匹配的檢測(cè)模塊采集速度和動(dòng)力裝置執(zhí)行速度會(huì)避免掉很多莫名出現(xiàn)的問(wèn)題。

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