基于PID算法的板球控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 徐 琳 齊天峰 劉五一

1.方案論證

1.1 方案的選擇

1.1.1 總方案的論證選擇

方案一：開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)

由滾動(dòng)摩擦公式，結(jié)合自己制作的平板通過(guò)測(cè)試計(jì)算得出具體的方程，又牛頓第二定律等物理知識(shí)得出平板上球從一點(diǎn)到另一點(diǎn)所需要的大概的傾斜角度、滾動(dòng)時(shí)間等，再通過(guò)硬件調(diào)試調(diào)整這些參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。但其操作比較復(fù)雜，而且可靠性不強(qiáng)。

方案二：模糊控制理論

由于板球系統(tǒng)是一個(gè)典型的非線性系統(tǒng)，所以可以考慮使用模糊控制理論，建立模糊數(shù)學(xué)模型，代入程序中，調(diào)整參數(shù)，使之達(dá)到要求。但模糊數(shù)學(xué)理論比較復(fù)雜，數(shù)學(xué)模型難以建立。

方案三：PID算法控制：由攝像頭得到小球位置，與選定位置做對(duì)比，通過(guò)PID調(diào)節(jié)，調(diào)整參數(shù)，使小球到達(dá)選定的位置。它兼顧了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，是一套有效的算法。

綜合考慮由于PID原理簡(jiǎn)單、使用方便，適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)，而且易于實(shí)現(xiàn)，所以我們決定使用方案三。

1.1.2 控制模塊的論證選擇

方案一：采用傳統(tǒng)的51系列單片機(jī)

STC89C52是的一種低功耗、CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。用傳統(tǒng)51單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控核心。方便調(diào)試，軟件編程相對(duì)容易，價(jià)格低廉，但其運(yùn)算速度慢，片內(nèi)資源少，存儲(chǔ)容量小，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法

方案二：采用STM32f103

具有專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M內(nèi)核，該系列為Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，內(nèi)置32K到128K的閃存，相比51系列性能大幅度提升?？梢詽M足該實(shí)驗(yàn)的要求。

方案三：采用STM32f407

相比STM32f103，該型號(hào)單片機(jī)采用Cortex_M4內(nèi)核，最高工作頻率168M,主頻帶DSP，不少的集成外設(shè)被加強(qiáng)，比如GPIO本身407可有較多的功能選擇，而且存儲(chǔ)器的Flash和

SRAM加大了很多。相比方案二更優(yōu)。

通過(guò)比較，我們選擇控制模塊選擇方案三。

1.1.3 傳感模塊

方案一：OV7670

OV7670，圖像傳感器，體積小，工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過(guò)SCCB總線控制，可以輸入整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高達(dá)到30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過(guò)程包括伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等都可以通過(guò)SCCB接口編程。OmmiVision圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過(guò)減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。

方案二：OV2640

相對(duì)于方案二的OV7670，OV2640擁有以上優(yōu)點(diǎn)，而且像素更高，達(dá)到200萬(wàn)像素，可視區(qū)域更大，相較OV7670更能滿足實(shí)驗(yàn)需求。

通過(guò)比較我們傳感模塊選擇方案二。

1.1.4 驅(qū)動(dòng)模塊

方案一：舵機(jī)

舵機(jī)最小轉(zhuǎn)動(dòng)角較大，控制不夠精確，不能滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

方案二：步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制電機(jī)，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，可定長(zhǎng)定速控制?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到精準(zhǔn)控制的目的?？刂票容^精確，但是由于它轉(zhuǎn)速過(guò)快，使得平板不夠穩(wěn)定。

方案三：減速電機(jī)

減速電機(jī)是指減速機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的集成體。電機(jī)提供的是高速轉(zhuǎn)速，但力矩小、慣性大，減速器的功能則是降低轉(zhuǎn)速、提升扭矩、降低慣性，達(dá)到理想的轉(zhuǎn)速和力矩，配合編碼器之后也可以實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)定速控制。所以它可以使小球比較穩(wěn)得在平板上運(yùn)動(dòng)，滿足實(shí)驗(yàn)的要求。

通過(guò)比較我們驅(qū)動(dòng)模塊選擇方案三。

1.2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

STM主控芯片，使LCD顯示信息，接受攝像頭返回的信息，帶編碼器的電機(jī)向編碼器和電機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，使其運(yùn)動(dòng)。

其中，OV2640攝像頭用于采集圖像，減速電機(jī)與編碼器用于控制平板的運(yùn)動(dòng)，顯示屏用于顯示當(dāng)時(shí)的平板攝像頭圖像。

2.理論分析與計(jì)算

2.1 計(jì)算

2.1.1 像素點(diǎn)的計(jì)算

所以可以根據(jù)處于對(duì)角線邊界兩點(diǎn)圓形區(qū)域位置的判定，按照比例確定其他七個(gè)點(diǎn)所在位置。

同理，4、5、6、7、8也按照2、3點(diǎn)來(lái)計(jì)算位置。

2.1.2 原始圖像三值化處理

紅色：r = （（rgb_buff[i][j]>>11）&0x1f）×255÷31

綠色：g = （（rgb_buf[i][j]>>5）&0x3f）×255÷63

藍(lán)色：b = （rgb_buf[i][j]）×255÷31

2.2 算法

2.2.1 PID算法

其中：

3.電路搭建與程序設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

STM32F407連接0V2640攝像頭、顯示屏、減速電機(jī)。其中減速電機(jī)連接著編碼器。

3.2 程序設(shè)計(jì)

（1）獲取攝像頭圖像：在攝像頭拍攝到的圖片上取320×240分辨率，對(duì)像素點(diǎn)的RGB顏色進(jìn)行分析，若離紅色（255，0，0）較近，則取為紅色，若離黑色（255，255，255）較近，則取為黑色，若離白色（0，0，0）較近，則取為白色。處理后，圖像上只顯示紅、黑、白三種顏色。

（2）確定小球位置：遍歷像素點(diǎn)數(shù)組，在白色平板和黑色小球邊界，數(shù)組顏色值會(huì)發(fā)生改變，選取這個(gè)值，確定x軸最大、最小坐標(biāo)，y軸最大、最小坐標(biāo)。將最大最小坐標(biāo)加和取中間值，即能得到小球中心x、y軸坐標(biāo)。

（3）按鍵選題：通過(guò)case語(yǔ)句，控制按鍵，來(lái)選擇題目。

4.總結(jié)

該系統(tǒng)無(wú)論從程序思路還是機(jī)械結(jié)構(gòu)都有多種方案，未來(lái)還會(huì)用更多方案來(lái)更好的解決此問(wèn)題。解決平衡方面的問(wèn)題。