吳立軍， 梁 偉， 李清波， 廟要要， 萬鸞飛， 段爭光

(1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241006；2.安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

板球系統(tǒng)是一個典型的多變量、非線性控制系統(tǒng)[1-3].本文設(shè)計(jì)了一板球控制系統(tǒng)，通過控制平板(65 cm*65 cm)的擺動，使直徑2 cm的硬質(zhì)小球按照指定要求(路徑)在平板上完成各種動作，并從動作開始時計(jì)時并實(shí)時顯示，單位為s.

1 總體方案論述

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用一對MG996R舵機(jī)作為動力源，通過控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速來控制平板的傾斜角度，進(jìn)而控制小球到達(dá)指定區(qū)域.平板擺動原理圖如圖1所示.在平板的上方合適位置安裝OV7670攝像頭，使其視野完全覆蓋平板.利用PID算法控制兩個舵機(jī)對平板x軸和y軸進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變小球加速度的方向，使小球進(jìn)行復(fù)雜的非線性運(yùn)動，系統(tǒng)框圖如圖2所示.

圖1 平板擺動原理圖

圖2 系統(tǒng)框圖

2 理論分析與計(jì)算

小球滾動原理分析見式(1)：

(1)

圖3 小球受力分析圖

圖3為小球切面受力分析圖，小球滾至最高點(diǎn)B處，速度為0.理想情況下，小球的加速度由重力G的下滑分力產(chǎn)生，如式(1).質(zhì)量為m的小球處于最高點(diǎn)，則角度α為最大值，加速度a最大.舵機(jī)對平板B處進(jìn)行下拉，使得A處升高，縮小擺動角度，即可達(dá)到制動目的；若此時等待小球到達(dá)A處再使舵機(jī)快速上升，則可以逐漸增大擺幅，使小球快速運(yùn)動到不同位置.

3 算法和控制原理

本系統(tǒng)主要采用了圖像二值化算法及PID控制算法.

3.1 圖像二值化算法

圖像二值化算法是將圖像上的像素點(diǎn)的灰度值設(shè)置為0或255，整個圖像呈現(xiàn)出明顯的黑白效果，使得圖像變簡單，并且數(shù)據(jù)量減小，可以凸出感興趣的目標(biāo)的輪廓[4-5].本系統(tǒng)通過二值化算法處理之后，使得系統(tǒng)能夠快速識別目標(biāo)物——小球及其位置信息.

3.2 PID控制原理

本系統(tǒng)采用PID算法來控制舵機(jī)帶動平板擺動，進(jìn)而控制小球在板上運(yùn)動，然后利用攝像頭實(shí)時采集小球位置信息，將采集的實(shí)時位置信息與設(shè)定位置進(jìn)行比較，若小球?qū)崟r位置偏離設(shè)定位置，則繼續(xù)調(diào)節(jié)舵機(jī)，使小球運(yùn)動到指定位置并穩(wěn)定.PID算法公式如(2)所示：

(2)

比例P：對舵機(jī)的角度進(jìn)行比例調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)舵機(jī)響應(yīng)速度.比例越大，舵機(jī)的響應(yīng)速度越快，平板的擺角越大.但是不能過大，否則會產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象.

積分I：在小球到達(dá)指定位置時，系統(tǒng)穩(wěn)定性較強(qiáng)，無需利用積分項(xiàng)對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，所以本系統(tǒng)設(shè)定KI為0.

微分D：微分調(diào)節(jié)反映舵機(jī)角度變化率，即角速度.微分調(diào)節(jié)具有預(yù)見性，可以預(yù)見偏差的變化趨勢，進(jìn)而進(jìn)行超前控制系統(tǒng)，減少調(diào)節(jié)時間.

4 系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)

4.1 姿態(tài)采集模塊電路

本設(shè)計(jì)采用了帶FIFO的OV7670攝像頭模塊對小球位置進(jìn)行捕捉.OV7670圖像傳感器體積較小，工作電壓低，且提供VGA攝像和影像處理器的所有功能[6].通過SCCB總線控制，能夠自行降噪調(diào)節(jié).OV7670攝像頭模塊內(nèi)部電路見圖4.

圖4 OV7670攝像頭模塊內(nèi)部電路

4.2 數(shù)字舵機(jī)

數(shù)字舵機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示.數(shù)字舵機(jī)與傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)相比具有以下兩個優(yōu)點(diǎn)：(1)能夠在動力脈沖發(fā)送到舵機(jī)之前，對輸入信號根據(jù)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行處理，以適應(yīng)不同功能的要求，并優(yōu)化舵機(jī)性能；(2)可以以更高的頻率向馬達(dá)發(fā)送動力脈沖.

圖5 數(shù)字舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖6 TFT液晶連接電路圖

4.3 TFT液晶顯示器

本設(shè)計(jì)采用TFT液晶實(shí)時比例顯示小球運(yùn)動軌跡，且觸摸按鍵選擇功能，界面簡潔、清晰、美觀.其與主控板的連接電路圖如圖6所示，界面如圖7所示.

(a)TFT主界面

(b)四區(qū)域選擇界面

5 軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖8所示，本系統(tǒng)使用STM32單片機(jī)為主控核心，采用C語言編程，利用攝像頭獲取小球的位置、軌跡和狀態(tài)等信息.STM32單片機(jī)控制整個系統(tǒng)穩(wěn)定協(xié)調(diào)運(yùn)作，采用PID算法控制兩個舵機(jī)的PWM占空比，帶動平板運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了小球按指定路徑運(yùn)動并短暫穩(wěn)定和圍繞指定區(qū)域做環(huán)繞運(yùn)動等功能.本系統(tǒng)的兩個舵機(jī)采用相同的PID參數(shù)，對于不同的要求我們設(shè)置了不同的PID參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示.

表1 PID參數(shù)

6 測試結(jié)果及分析

系統(tǒng)調(diào)試完成以后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)，在平板上均勻分布著如圖9所示的9個區(qū)域，每個區(qū)域的外徑為3 cm，然后根據(jù)設(shè)定測試方案，對系統(tǒng)進(jìn)行性能測試.

圖8 主程序流程圖

圖9 平板區(qū)域分布

6.1 測試結(jié)果

系統(tǒng)每次啟動時都會進(jìn)行初始化，板球控制系統(tǒng)的平板會在兩個舵機(jī)聯(lián)合作用下，處于水平狀態(tài).只有系統(tǒng)初始化完成之后，系統(tǒng)才能進(jìn)行相應(yīng)功能選擇.

表2 任意兩區(qū)域路徑測試

(1)控制小球從區(qū)域1出發(fā)到終點(diǎn)(1～9區(qū)域任選一個)，設(shè)置終點(diǎn)區(qū)域穩(wěn)定停留時間為5 s，總時間不超過15 s，測試結(jié)果如表2所示.

(2)在1～9區(qū)域中任選4個區(qū)域，并記為A、B、C、D，控制小球按路徑A→B→C→D運(yùn)動，并最終穩(wěn)定停留在D區(qū)域5 s以上，總時間不超過40 s，測試結(jié)果如表3所示.

表3 任意四區(qū)域路徑測試

表4 環(huán)繞區(qū)域5運(yùn)動測試

(3)設(shè)置小球的出發(fā)點(diǎn)(區(qū)域4)，作環(huán)繞區(qū)域5的運(yùn)動(不進(jìn)入)，運(yùn)動3周后進(jìn)入終點(diǎn)區(qū)域(區(qū)域9)，除設(shè)定區(qū)域外，不經(jīng)過其他區(qū)域，終點(diǎn)區(qū)域穩(wěn)定停留時間為5 s，總時間不超過40 s，測試結(jié)果如表4所示.

6.2 測試結(jié)果分析

從測試結(jié)果分析知，本系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地控制小球按照測試要求(1～3)路徑運(yùn)動，最終使得小球穩(wěn)定停留在終點(diǎn)區(qū)域5 s以上，并且不進(jìn)入設(shè)置區(qū)域以外的其他區(qū)域.同時完成目標(biāo)所用的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于設(shè)定時間.

7 結(jié)語

本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控單元，利用PID算法來控制舵機(jī)帶動平板擺動，進(jìn)而控制小球(20 mm)在平板上運(yùn)動，然后利用OV7670攝像頭實(shí)時采集小球位置信息經(jīng)圖像二值化算法處理后反饋給單片機(jī).單片機(jī)將采集的實(shí)時位置信息與設(shè)定位置進(jìn)行比較，若小球?qū)崟r位置偏離設(shè)定位置，則繼續(xù)調(diào)節(jié)舵機(jī)，直至小球運(yùn)動到指定位置并穩(wěn)定.經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)響應(yīng)速度快、調(diào)節(jié)時間短、控制精度高，具有較強(qiáng)的軌跡跟蹤能力和魯棒性.

[參 考 文 獻(xiàn)]

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