滾球控制系統(tǒng)

歐陽晨星

摘要：本方案采用了K60單片機(jī)為核心的滾球控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由K60單片機(jī)模塊、穩(wěn)壓模塊，攝像頭模塊，圖像處理模塊構(gòu)成。有K60來顯示該系統(tǒng)的功能。通過UART和電腦通信，通過攝像頭顏色識(shí)別技術(shù)來收集信號(hào)，以期獲得準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向，利用PID算法調(diào)整舵機(jī)位置并用舵機(jī)來改變小球運(yùn)動(dòng)方向。在直徑不大于2.5cm的小球能夠按照指定的要求在平板上完成各種指定的動(dòng)作這個(gè)條件下。在區(qū)域2開始后，先利用Openmv攝像頭識(shí)別技術(shù)來獲取舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向是本方案的重要步驟。本方案利用了身邊的材料，采用的木板較輕便靈活，采用攝像頭使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，采用PID算法使小球能夠按照指定路線移動(dòng)。

關(guān)鍵詞：K60;Openmv攝像頭;UART通信;PID算法

一、系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由攝像頭模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、控制系統(tǒng)模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

（一）攝像頭的論證與選擇

方案一：總鉆風(fēng)MV9032攝像頭模塊。利用MV9032攝像頭模塊的攝像頭全局快門和高動(dòng)態(tài)性能的特點(diǎn)，與MK60DN512VLQ10芯片配合使用，非常符合本設(shè)計(jì)，但由于光線影響較大，適應(yīng)場地能力弱。方案二：OV7670攝像頭模塊。OV7670攝像頭模塊的攝像頭高靈敏度，并且拍攝的圖像清晰，不過視角太小，而平板的尺寸是65*65，要把整個(gè)平板都拍攝到攝像機(jī)里去，攝像頭的位置要放得很高，搭建和固定不方便。方案三：OPENMV攝像頭模塊。OPENMV攝像頭模塊能進(jìn)行圖像處理和顏色識(shí)別，功能很強(qiáng)大，很適合這個(gè)系統(tǒng)。綜合以上三種方案，選擇方案三。

（二）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的論證與選擇

方案一：步進(jìn)電機(jī)。其可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)，不好進(jìn)行操控。方案二：直線行程電機(jī)。直線行程電機(jī)的耗電量比較大，發(fā)熱量大，而本設(shè)計(jì)所使用的只是7.2V的鎳鎘電池，不適合本設(shè)計(jì)。方案三：舵機(jī)。舵機(jī)角度可以保持在驅(qū)動(dòng)當(dāng)中，穩(wěn)定性好。綜合以上三種方案，選擇方案三。

（三）控制系統(tǒng)的論證與選擇

方案一：STC51控制系統(tǒng)。51單片機(jī)串行口比較少，功能比較少，響應(yīng)速度和反應(yīng)時(shí)間比較慢。方案二：MK60DN512VLQ10控制系統(tǒng)。MK60DN512VLQ10功能比較齊全，波特率比較大，能很好的進(jìn)行圖像處理和控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。綜合考慮采用MK60DN512VLQ10控制系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

（一）小球位置的分析

（1）攝像頭采集。通過MK60DN512VLQ10最小系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)Openmv攝像頭模塊，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。

（2）最大類間方差法。從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中讀取圖像信息，通過最大類間方差法進(jìn)行圖像處理。

（3）確定小球位置。通過最大類間方差法處理可以將小球的位置確定下來，進(jìn)行小球指定軌跡的滾動(dòng)。

（二）舵機(jī)的計(jì)算

（1）舵機(jī)的選擇。該舵機(jī)的型號(hào)為SD-5，正常供電電壓應(yīng)該在5V到6.5V之間。電壓過高會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)燒毀，電壓過低無法正常啟動(dòng)舵機(jī)以及打腳不靈敏，所以需要在硬件方面給它進(jìn)行濾波。

（2）舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。設(shè)計(jì)時(shí)就要綜合考慮轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度與舵機(jī)力矩之間的關(guān)系，通過優(yōu)化得到一個(gè)最佳的轉(zhuǎn)向效果。

（3）調(diào)節(jié)小球位置。通過PID算法調(diào)節(jié)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速和角度，使小球按照指定的軌跡運(yùn)動(dòng)。

三、電路與程序設(shè)計(jì)

（一）電路的設(shè)計(jì)

攝像頭模塊采集→控制系統(tǒng)→舵機(jī)。

（二）程序的設(shè)計(jì)

（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路。①程序功能描述。高效的程序與算法，合適的參數(shù)是滾球控制系統(tǒng)平穩(wěn)自動(dòng)滾動(dòng)的基礎(chǔ)。圖像采集及后續(xù)處理，速度與打角的控制是整個(gè)軟件系統(tǒng)的兩大內(nèi)容。我們設(shè)計(jì)的滾球控制系統(tǒng)采用openmv攝像頭模塊進(jìn)行小球識(shí)別。圖像采集及后續(xù)處理是軟件算法的一大內(nèi)容。在舵機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度控制方面，我們使用了經(jīng)典PID控制算法，再配合使用理論計(jì)算和實(shí)際參數(shù)補(bǔ)償?shù)霓k法，使小球能夠穩(wěn)定地完成任務(wù)。②程序設(shè)計(jì)思路。通過openmv攝像頭模塊掃描，對(duì)所采集到的圖像用最大類間方差法進(jìn)行處理將所采集到的坐標(biāo)傳回主控芯片MK60DN512VLQ10，再由PID算法對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)滾球控制。

（2）程序流程圖。攝像頭（采集數(shù)據(jù)）→K60處理數(shù)據(jù)→舵機(jī)（改變小球軌跡）。

四、測試方案與測試結(jié)果

（一）測試方案

（1）硬件測試。搭建65cm*65cm的小球運(yùn)動(dòng)平板、底座和支架，并做好攝像頭固定支架。最后找準(zhǔn)中心點(diǎn)，放置小球，使小球處于靜止?fàn)顟B(tài)。

（2）硬件軟件聯(lián)調(diào)。搭建硬件設(shè)備并焊接電路，上電測試，各模塊通電正常。下載程序，測試各模塊正常工作。進(jìn)行程序編寫，軟件和硬件結(jié)合，完成了部分任務(wù)要求。

（二）測試條件與儀器

測試條件：多次檢查，硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路無虛焊。

測試儀器：高精度數(shù)字示波器，高精度數(shù)字萬用表。

（三）測試結(jié)果及分析

（1）測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）。經(jīng)測試，電路的焊接與系統(tǒng)原理圖完全相同，硬件的搭建有誤差，不精準(zhǔn)，但能夠利用軟件矯正，軟硬件相互結(jié)合，相互協(xié)調(diào)。

（2）測試分析與結(jié)論。在將硬件組裝完成之前將舵機(jī)、攝像頭等硬件用萬用表測試一遍，確保硬件完好。在軟件調(diào)試之前，再對(duì)硬件檢測一遍，連接有無錯(cuò)誤，再用OpenMV IDE對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行進(jìn)行調(diào)試。如果檢測到硬件出現(xiàn)問題，查找下是哪個(gè)硬件部分的問題，常見的如杜邦線沒插好，虛焊電路等。

然后對(duì)攝像頭進(jìn)行調(diào)試，將小球放在硬質(zhì)木板上看攝像頭能否檢測識(shí)別到，調(diào)整間距和幅度，找到最合適的位置。將攝像頭模塊固定。

測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。最后進(jìn)行總體調(diào)試。

五、結(jié)論與心得

滾球控制系統(tǒng)，在硬件的搭建上，合理利用身邊有用的資源，做到大膽創(chuàng)新，精益求精。在電路設(shè)計(jì)上，以理論為基礎(chǔ)，綜合多種電路的優(yōu)點(diǎn)，巧妙設(shè)計(jì)自己的電路。在軟件的調(diào)試上，隊(duì)友們思想活躍，為系統(tǒng)出謀劃策，理性分析問題，結(jié)合原理抓住問題的根源所在，用心解決每一個(gè)問題。最后經(jīng)歷了一次次失敗的測試不斷地進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，完成作品。

參考文獻(xiàn)：

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