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 1
1.1 系统基础方案 1
1.1.1 控制方案设计 1
1.1.2 机械结构方案设计 1
1.2 方案选择和论证.. 1
1.2.1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 5
4.1测试方案 5
4.2测试条件和仪器 5
4.3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1-1
1.1.2 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：
①算式中不需要累加。控制增量Δu(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；
②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；
③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+Ts／Ti+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/S
17
10
8
5
2
2
误差/cm
2
1.3
1.4
1.1
0.4
0.2

表 2 测试方案（2）
过程时间(s)
16
14
11
11
误差
1.1
0.5
0.2
0.1

表 3 测试方案（3）
完成所需时间
25
25
22
18
18
区域4停留时间
2.0
1.8
1.0
2.1
1.8
区域5停留时间
1.6
1.5
1.9
2.0
2.2
表 4 测试方案（4）

完成所需时间（s）

40

32

31

30

26
（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。