滚球控制新版专业系统设计方案报告最终版.docx

全国大学生电子设计竞赛 （B题 ） 滚球控制系统 摘 要 滚球控制系统是一个经典多变量，非线性欠驱动控制系统，其目标是为了实现小球镇静控制和轨迹跟踪。本系统利用摄像头采集信息，经过摄像头硬件二值化得到小球坐标，程序设定小球运动轨迹。采取增量式PID算法，百分比步骤进行快速响应，积分步骤实现无静差，微分步骤减小超调，加紧动态响应。从而使系统含有良好性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、按指定方向偏移，含有很好稳定性。本系统经过大量调试PID参数，最终能够实现轨迹路径运动，静态平衡等题目内容。关键词：增量式PID算法，图像处理，PWM，硬件二值化 目 录一、系统方案11.1 系统基础方案11.1.1 控制方案设计11.1.2 机械结构方案设计11.2 方案选择和论证.11.2.1单片机选择1 1.2.2摄像头选择.2二、 系统理论分析和计算2 2.1摄像头检测小球算法分析2 2.2增量式PID控制算法分析2三、电路和程序设计3 3.1电路设计3 3.2程序设计4 3.2.1程序功效描述和设计思绪4 3.2.2程序步骤图4四、测试方案和测试结果54.1测试方案54.2测试条件和仪器54.3测试结果及分析5（1）测试结果5（2）测试分析和结论6五、结论和心得6滚球控制系统（B题）【本科组】一、 系统方案1.1 系统基础方案1.1.1 控制方案设计 依据题目要求，基础需要LCD显示器，矩阵键盘，摄像头和舵机等外设，用键盘输入指令选择系统需要实施相关程序。摄像头用于图像采集，依据采集数据来计算小球目前位置和目标位置距离，经过单片机，利用PID算法进行控制，使小球朝着要求目标位置运动，同时LCD显示经过处理运动画面。 图1-11.1.2 机械结构方案设计因为平板边长（65cm）较长，且要求摄像头要俯拍平板全画面，所以要求装置底座结构稳定，支撑摄像头支架稳定不晃动。平板材料方面，选择轻便硬质塑料泡沫材料和舵机传动轴进行刚性连接，既能确保连接处稳定，又可达成灵活目标。电机选择方面，既要确保推力够大，能够实现题目基础要求中轨迹移动、快速制动静止。评判中心作为坐标系原点，x轴、y轴各放置一个伺服电机，利用伺服电机控制x、y轴可实现对平板各个方向倾斜控制。1.2 各部分方案选择和论证1.2.1 单片机选择采取K60单片机。操作简单，带有配套LCD显示器，可正确显示出图像和小球坐标信息。而且开发环境很轻易搭建，2路PWM控制两个舵机，单片机可控制舵机转动，从而实现小球移动。符合题目所需控制要求。1.2.2 摄像头选择 方案一：摄像头选择是OV7725型能够硬件二值化鹰眼摄像头，像素30万，传输速率达成60fps，视场角达成63，拥有很好低照度。能够满足本系统所需。 方案二：选择ov7670图像传感器。体积小，工作电压低，基础和ov7725相同。不过视场角只有23，因为板子边长较大，视场角小话需要把摄像头抬高，这么影响模型稳定。而且ov7670不能进行硬件二值化处理摄像头采集图像。 综合考虑，为了方便实现功效，选择方案二。二、 系统理论分析2.1摄像头检测小球算法分析系统使用白色泡沫板材，黑色硬质小球，摄像头采集图像经过硬件二值化：（1） 处理二值化图像，黑为0，白为255.（2） 将0，255化图像装进一个二维数组。（3） 进行行扫描。（4） 进行列扫描。（5） 假如为255，则分别将x，y坐标输出到两个一维数组。（6） 该一维数组第一个和最终一个数组相加除以2，即为（x，y）坐标。2.2 增量式PID控制算法分析 增量式PID控制将目前时刻控制量和上一时刻控制量做差，以差值为新控制量，是一个递推式算法。增量式PID控制关键是经过求出增量，将原先积分步骤累积作用进行了替换，避免积分步骤占用大量计算性能和存放空间。增量式PID控制关键优点为：算式中不需要累加。控制增量u(k)确实定仅和最近3次采样值相关，轻易经过加权处理取得比很好控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应实施机构位置改变量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；手动自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，能够作到无扰动切换。 PID算法公式： I=Kip*Ts/Ti; Ad=Kip*D/Ts; Kip为百分比项系数；I为积分项系数；Ad为微分项系数： Ti为积分时间常数；D为微分时间常数；Ts为采样周期常数： 上述公式深入推倒： Au(k)=A*e(k)+Kb*e(k-1)+Kc*e(k-2);A=Kip*(1+TsTi+D/Ts)； Kb=（-1）*(Kip)*(1+2Td/TS)；Kc=Kip*(D/TS)；三、 电路和程序设计3.1电路设计图10 按键模式选择 图3-1电池充满电7.2V左右，CPU和蓝牙工作电压为5V，摄像头，LCD，拨码开关工作电压为3.3V。所以有7.2V转5V和5V转3.3V模块。 图3-2PWM模块一端接地一端接两个舵机。蓝牙，摄像头，LCD，拨码开关一端接地，一端接CPU。 图3-1电源电路设计图 图3-2关键元件电路设计图3.2程序设计3.2.1程序功效描述和设计思绪 1、程序功效描述 系统采取按键控制输入指令，根据每一题要求设置对应指令，系统会作出对应反应，数据会反馈到和单片机相连显示器上。 2、程序设计思绪 基础要求（1）经过调试在伺服电机初始状态时平板处于水平平衡状态。基础要求（2）需要采取闭环控制算法，当小球进入图像时，找到目标坐标，利用PID算法控制伺服电机倾斜平板使小球移动。基础要求（3）要采取闭环控制，需要计划出小球行进路线。基础要求（4）同（3）不过需要加紧伺服电机实施效率。3.2.2程序步骤图 1、主程序步骤图 图11 程序步骤图2、PID算法框图角度速度舵机度速度改变四、测试方案和测试结果4.1测试方案（1） 伺服电机带动平板使小球保持平衡，统计稳定过程需要时间和剧中心点偏差，测量6次。（2） 小球放置在平板区域1，开始运动到区域5，稳定在区域5，统计稳定所需时间，统计平衡位置和区域5中心位误差。（3）控制小球从区域 1 进入区域 4，在区域 4 停留不少于 2 秒；然后再进入区域 5，小球在区域 5 停留不少于 2 秒。统计完成所需时间和在区域4和区域5停留时间。（4）在 30 秒内，控制小球从区域 1 进入区域 9，且在区域 9 停留不少于 2 秒。统计停留时间。4.2测试条件和仪器秒表、直尺。4.3测试结果及分析（1）测试结果 表 1 测试方案（1）第一次测试第二次测试第三次测试第四次测试第五次测试第六次测试时间/S17108522误差/cm21.31.41.10.40.2表 2测试方案（2）过程时间(s)16141111误差 1.10.50.20.1表 3测试方案（3）完成所需时间2525221818区域4停留时间2.01.81.02.11.8区域5停留时间1.61.51.92.02.2 表 4测试方案（4）完成所需时间（s）4032313026（2）测试分析和结论依据上述测试数据，该滚球控制系统已能达成基础部分全部要求和性能指标，由此能够得出以下结论：PID参数调试需要大量调试和试验，找到最适合运动状态参数组。假如少许试验数据并不能实现滚球系统正确控制，但经过测试得到参数基础上能够满足要求。五、结论和心得 经过几天努力奋战，从开始准备到第一时间接到题目，一直全部全身心地投入比赛之中。即使尝试过以前制作类似题目，不过真正进入比赛还是有不一样心情。在制作硬件时碰到了部分问题，时间很急，而且还没有开始调试，大家全部感到很慌乱，心里没有底，甚至想到过放弃。不过静下心来，大家一起努力从新来过，即使浪费了不少时间，不过还是成功完成了硬件调试。有辛酸也有欣喜，每当取得一点点进步，全部会欣喜若狂。可能这次比赛我们不是最优异，但我们一定是最努力。可能不能取得好成绩，但也不会有遗憾。最少努力了，奋斗了。当然还要感谢学校老师后勤工作支持，是我们能安心比赛，同时也感谢大赛组委会给了我们这次关键机会锻炼自己。