本帖最后由 林中xin1125 于 2019-8-2 13:09 编辑
作者：黄佳遥 马茗萱 朱桐
来源：《电子技术与软件工程》 2017 年第 24 期 摘 要 本文以基于摄像头识别的板球控制系统为研究对象，使得小球能在平板上的指定位置停留，并按照指定轨迹运动。首先进行板球系统平台机械结构部分的搭建，进而进行小球位置识别的算法设计与 PID 参数整定。将采集到的图像进行预处理操作，随后运用霍夫圆变换算法找到小球位置，并将采集到的小球位置传入 STM32 系列的单片机主控系统。通过对系统参数的不断调整，使得整个系统具有较好的跟踪效果与鲁棒性。 【关键词】板球系统 PID 控制 霍夫圆变换
板球控制系统研究起始于上世纪八十年代末期，对于板球系统的研究可以分为两个阶段，第一阶段是在 SIMULINK 环境下建立数学模型，进行仿真；第二阶段是研发板球控制系统，从而在实物平台上验证相关控制算法。随着科学技术的发展，对于板球系统的研究也越来越深入。由于小球在平板上的运动无固定轨道约束，所以要靠电机带动板的运动来控制小球的运动。这一运动的随机性加上板与球之间摩擦力及空气阻力的影响，使得在平板上控制小球按照一定轨迹去运动变得富有挑战而有意义。
1 总体设计方案 板球系统主要由控制器、舵机、平板、小球和摄像头等部分构成。利用搭载 STM32F7 系列处理器的 OpenMV 摄像头解决方案对小球之于平板的位置图像进行处理，获取小球相对于平板的位置坐标并将相关数据传入主控制器。主控制器通过整定之后的 PID 参数来调节和控制舵机的运动，抬升或下降平板位置，从而控制小球在平板上的运动。
2 硬件结构 2.1 机械结构 采用两个舵机组成电机组，同样，将两个舵机固定在支柱上，通过支架与顶板固定连接。具体构造如图 1 机械结构示意图所示。 舵机的主要组成部分为伺服电机，其中包含伺服电机控制电路和减速齿轮组。舵机含有伺服电机没有的减速齿轮组。限位舵机靠输出轴下面的电位器来确定舵机转向角度。通过脉冲调制 PWM 信号就可以控制舵机。主控系统可以轻松地输出该信号。
在制定支架连接过程中，我们选取的杆之间的连接角度为 90 度。因为在实际测量中，以 90 度固定，则当支架连接位置为 180 度，即水平时，与其连接的顶板向上偏移约为 7 度。实验证明，该角度可以较好的控制小球运动，既不会因为角度过大导致小球快速滚落跌下顶板，也不会因为角度过小而使小球运动过慢。值得注意的是，舵机的转轴位置需设置在板球系统的中心轴线上，并且转动中心需与板球平面中心轴相差 90 度，否则将会使板球系统在运动时产生较大程度的摇摆，直接降低了系统的精确度。 平板抬升角度与舵机的转动角度有关，具体计算公式如下： 其中 α 为抬升角， θ 为舵机转角， l 杆为撑杆长度， r 为舵机转盘半径， R 为平板边长的一半。具体标注如图 2 平板旋转角度示意图所示。
2.2 主控系统 主控系统与所有其他的模块进行连接，主控系统将摄像头传回来的数据进行处理，并将数据和控制信号传递到相关子系统进行相应动作响应，并及时反馈给主控系统本身。 主控系统选用 STM32F765VI 系列单片机。 CPU 最高主频 216MHz ，可达 2MB 闪存 Flash 和 512Kb SRAM ， 3 个 12 位精度 ADC 控制器和 2 个 12 位 DA 控制器。 18 个定时器，支持 SWD 、 JTAG 工具调试。处理速度快，且使用 OpenMV 整体解决方案后可使用 MicroPython 进行编程，极大地提高了开发效率。
2.3 摄像头 摄像头选用 OV7725 系列产品。 OV7725 感光元件在 80FPS 下可以处理 640*480 8-bit 灰度或者 320*240 16bit RGB565 彩色图像，可以利用 2.8mm 焦距镜头进行调焦。对于小面积的板球系统而言其精度完全足够。
3 霍夫圆变换算法 霍夫圆变换和霍夫线变换算法大体相似。在直角坐标系中，需要用三个变量来表示，即圆心坐标以及圆的半径，将其表示为待定空间 C ：。 由于板球系统中的小球与平板之间颜色差异通常较大，且板面光滑洁净，因此在将采集到的帧图像进行 Canny 算法处理之后，即可得到小球的圆边缘。之后再利用霍夫梯度法求解图像的梯度矩阵，从而得到边缘的坐标值，并将其与待定空间 C 作比对。如果待检测点距离中心点距离为半径 R ，那么它将被视作圆的边缘点而被保留下来。迭代之后即可得到具体的坐标位置和中心点的坐标。
5 结语 板球系统作为一个非线性动力学系统，对其控制算法和检测算法的研究具有重要意义。对于板球系统的研究与应用可以推广到一类非线性控制系统中去。本文基于视觉的板球控制系统，通过摄像头采集帧图像，运用相关图像处理算法获取小球的中心位置信息并传递给主控系统，主控系统进行 PID 控制及参数整定进一步控制小球的运动，使得整个系统具有较好的跟踪性和鲁棒性。
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