基于視覺位置檢測的板球系統(tǒng)

黃佳遙+馬茗萱+朱桐

摘 要

本文以基于攝像頭識別的板球控制系統(tǒng)為研究對象，使得小球能在平板上的指定位置停留，并按照指定軌跡運動。首先進行板球系統(tǒng)平臺機械結(jié)構(gòu)部分的搭建，進而進行小球位置識別的算法設(shè)計與PID參數(shù)整定。將采集到的圖像進行預(yù)處理操作，隨后運用霍夫圓變換算法找到小球位置，并將采集到的小球位置傳入STM32系列的單片機主控系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)參數(shù)的不斷調(diào)整，使得整個系統(tǒng)具有較好的跟蹤效果與魯棒性。

【關(guān)鍵詞】板球系統(tǒng) PID控制 霍夫圓變換

板球控制系統(tǒng)研究起始于上世紀八十年代末期，對于板球系統(tǒng)的研究可以分為兩個階段，第一階段是在SIMULINK環(huán)境下建立數(shù)學模型，進行仿真；第二階段是研發(fā)板球控制系統(tǒng)，從而在實物平臺上驗證相關(guān)控制算法。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對于板球系統(tǒng)的研究也越來越深入。由于小球在平板上的運動無固定軌道約束，所以要靠電機帶動板的運動來控制小球的運動。這一運動的隨機性加上板與球之間摩擦力及空氣阻力的影響，使得在平板上控制小球按照一定軌跡去運動變得富有挑戰(zhàn)而有意義。

1 總體設(shè)計方案

板球系統(tǒng)主要由控制器、舵機、平板、小球和攝像頭等部分構(gòu)成。利用搭載STM32F7系列處理器的OpenMV攝像頭解決方案對小球之于平板的位置圖像進行處理，獲取小球相對于平板的位置坐標并將相關(guān)數(shù)據(jù)傳入主控制器。主控制器通過整定之后的PID參數(shù)來調(diào)節(jié)和控制舵機的運動，抬升或下降平板位置，從而控制小球在平板上的運動。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 機械結(jié)構(gòu)

采用兩個舵機組成電機組，同樣，將兩個舵機固定在支柱上，通過支架與頂板固定連接。具體構(gòu)造如圖 1 機械結(jié)構(gòu)示意圖所示。

舵機的主要組成部分為伺服電機，其中包含伺服電機控制電路和減速齒輪組。舵機含有伺服電機沒有的減速齒輪組。限位舵機靠輸出軸下面的電位器來確定舵機轉(zhuǎn)向角度。通過脈沖調(diào)制PWM信號就可以控制舵機。主控系統(tǒng)可以輕松地輸出該信號。

在制定支架連接過程中，我們選取的桿之間的連接角度為90度。因為在實際測量中，以90度固定，則當支架連接位置為180度，即水平時，與其連接的頂板向上偏移約為7度。實驗證明，該角度可以較好的控制小球運動，既不會因為角度過大導致小球快速滾落跌下頂板，也不會因為角度過小而使小球運動過慢。值得注意的是，舵機的轉(zhuǎn)軸位置需設(shè)置在板球系統(tǒng)的中心軸線上，并且轉(zhuǎn)動中心需與板球平面中心軸相差90度，否則將會使板球系統(tǒng)在運動時產(chǎn)生較大程度的搖擺，直接降低了系統(tǒng)的精確度。

平板抬升角度與舵機的轉(zhuǎn)動角度有關(guān)，具體計算公式如下：

其中α為抬升角，θ為舵機轉(zhuǎn)角，l桿為撐桿長度，r為舵機轉(zhuǎn)盤半徑，R為平板邊長的一半。具體標注如圖 2 平板旋轉(zhuǎn)角度示意圖所示。

2.2 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)與所有其他的模塊進行連接，主控系統(tǒng)將攝像頭傳回來的數(shù)據(jù)進行處理，并將數(shù)據(jù)和控制信號傳遞到相關(guān)子系統(tǒng)進行相應(yīng)動作響應(yīng)，并及時反饋給主控系統(tǒng)本身。

主控系統(tǒng)選用STM32F765VI系列單片機。CPU最高主頻216MHz，可達2MB閃存Flash和512Kb SRAM，3個12位精度ADC控制器和2個12位DA控制器。18個定時器，支持SWD、JTAG工具調(diào)試。處理速度快，且使用OpenMV整體解決方案后可使用MicroPython進行編程，極大地提高了開發(fā)效率。

2.3 攝像頭

攝像頭選用OV7725系列產(chǎn)品。OV7725感光元件在80FPS下可以處理640*480 8-bit灰度或者320*240 16bit RGB565彩色圖像，可以利用2.8mm焦距鏡頭進行調(diào)焦。對于小面積的板球系統(tǒng)而言其精度完全足夠。

3 霍夫圓變換算法

霍夫圓變換和霍夫線變換算法大體相似。在直角坐標系中，需要用三個變量來表示，即圓心坐標以及圓的半徑，將其表示為待定空間C：。

由于板球系統(tǒng)中的小球與平板之間顏色差異通常較大，且板面光滑潔凈，因此在將采集到的幀圖像進行Canny算法處理之后，即可得到小球的圓邊緣。之后再利用霍夫梯度法求解圖像的梯度矩陣，從而得到邊緣的坐標值，并將其與待定空間C作比對。如果待檢測點距離中心點距離為半徑R，那么它將被視作圓的邊緣點而被保留下來。迭代之后即可得到具體的坐標位置和中心點的坐標。

5 結(jié)語

板球系統(tǒng)作為一個非線性動力學系統(tǒng)，對其控制算法和檢測算法的研究具有重要意義。對于板球系統(tǒng)的研究與應(yīng)用可以推廣到一類非線性控制系統(tǒng)中去。本文基于視覺的板球控制系統(tǒng)，通過攝像頭采集幀圖像，運用相關(guān)圖像處理算法獲取小球的中心位置信息并傳遞給主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)進行PID控制及參數(shù)整定進一步控制小球的運動，使得整個系統(tǒng)具有較好的跟蹤性和魯棒性。

參考文獻

[1]李芳.板球系統(tǒng)設(shè)計及控制系統(tǒng)研究[D].內(nèi)蒙古科技大學，2013.

[2]郭可發(fā).舵機系統(tǒng)自適應(yīng)控制策略研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2010.

[3]李嘉楠，朱成海，王富東等.基于機器視覺技術(shù)的球桿系統(tǒng)小球定位的研究[J].制造業(yè)自動化，2016（01）：82-85，101.

作者簡介

黃佳遙（1998-），男，河南省南陽市人，現(xiàn)就讀于貴州大學大數(shù)據(jù)與信息工程學院。

馬茗萱（1997-），女，河北省保定市人，就讀于貴州大學物理學院。

朱桐（1997-），男，河北省邢臺市人，就讀于貴州大學大數(shù)據(jù)與信息工程學院。

作者單位

1.貴州大學大數(shù)據(jù)與信息工程學院 貴州省貴陽市 550025

2.貴州大學物理學院 貴州省貴陽市 550025endprint