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1、-基于STM32微控制器的滚球系统设计-第 6 页滚球控制系统摘 要 滚球控制系统由机械部分和控制系统构成，其中机械部分包括摄像头支架、舵机拉杆、万向节以及平板等；控制部分主要由两个STM32最小系统、NRF24L01、摄像头以及舵机组成。该系统以STM32单片机为控制核心，利用摄像头检测小球在平板上的位置，经过NRF24L01传输给下面的单片机控制舵机，采用PD 控制算法，通过输出PWM对舵机进行角度调节，驱动舵机调节平板的偏角，使小球在平板上稳定或做相应运动，从而对小球进行实时控制。关键词：滚球系统，摄像头，STM32，PWM，PD算法AbstractThe rolling ball sy
2、stem is mainly composed of a mechanical part and a control system, wherein the mechanical part comprises a camera bracket, steering rod, cardan joint and flat; control part is mainly composed of two STM32 minimum system, NRF24L01, camera and steering components. The system uses STM32 microcontroller
3、 as control core, using the camera to detect the ball on the plate position, through the NRF24L01 transmission to the microcontroller to control the steering, the PD control algorithm, by adjusting the output angle of PWM actuator drive angle servo adjusting plate, make the ball or do the correspond
4、ing motion on the plate, and the ball. Time controlKeywords: Rolling Ball system, Camera, STM32, PWM, PD Algorithm基于STM32微控制器的滚球系统设计1系统方案本系统主要由CPU模块、小球坐标定位模块、电机驱动模块、LCD显示模块等组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 CPU的论证与选择方案一：STC89C51。STC89C51芯片虽然具有上手快，易操作等优点，但是该芯片片内资源少、主频不够高，数据处理慢，尽管队员对该芯片的使用非常熟练，但是综合评估达不到题目控制要求，故不采
5、用此方案。方案二：采用PLC控制器。其可靠性高，抗干扰能力强，但体系结构封闭，不兼容，故也不采用此方案。方案三：STM32系列单片机。STM323系列芯片具有功耗低、片内资源丰富，并且有库文件开发，大大缩短了编程难度，对单片机主频进行评估完全达到要求。综合以上三种方案及题目要求，决定采用两个单片机控制，控制摄像头用STM32f407ZGT6，舵机用STM32F103ZET6控制，故选择方案三。1.2电机的论证与选择方案一：采用步进电机，步进电机控制角度精准，扭矩大，速度可控，但是需要额外的驱动电路，并且在调节过程中会有抖动，对小球控制很不利 。方案二：舵机，舵机控制简单，直接通过不同占空比的P
6、WM信号控制，响应速度快，不需要额外驱动，并且有大扭矩舵机，故有电路简单，控制程序易写等优点。综合比较以上两种方案，本系统采用方案二。1.3小球坐标定位模块的论证与选择方案一：采用两排红外对管用单片机控制轮流查询方式，该方案直接采用红外对管作开关量，思路简单，但是精准度不高，并且坐标定位达不到要求。方案二：采用摄像头采集数据，对采集图像进行处理后，直接输出小球坐标，虽然图像处理程序比较难写，但精准度极高，采用STM32F407ZGT6单片机控制能达到要求。综合比较以上两种方案，本系统采用方案二。2系统理论分析与计算2.1系统结构的分析 该系统是一个对平板上小球运动控制开环系统的控制，我们采用由
7、摄像头传输小球坐标反馈来形成闭环系统。直接由摄像头抓取小球坐标，经过PID调节后调制成PWM信号输出稳定控制小球静止或按轨迹运动，从而达到题目要求。2.2 小球坐标与平板角度的计算（1）小球坐标：本设计中直接把小球的中心在屏幕上的坐标直接发送给下面单片机，在系统初始化时把规定区域实际坐标直接映射到屏幕坐标，使小球静止在规定区域，直接把屏幕坐标设定为PID设定点通过PID调节后输出控制平板运动从而稳定。（2）平板角度：通过摄像头返回小球坐标，直接用2个PID分别控制X，Y坐标，根据PID调节输出PWM占空比分别控制X轴，Y轴电机，来实现平板角度控制。2.3 PD控制器设计当被控对象的结构和参数不
8、能完全掌握或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术是最为方便。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出来的。PD控制器是PID控制器的一种，只是没有积分项而已，假设系统的给定值为r(t)，实际输出值为y(t)，根据给定值和输出值构成控制偏差：PD的控制规律为：式中，是比例系数，Kd是微分时间常数。PD控制器各校正环节的作用如下： （1）比例环节：成比例的反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生， 控制器立即产生控制作用，以减小偏差。 （2）微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率
9、)，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度， 减少调节时间。在该旋转倒立摆系统中，PID各个参数通过反复调试得出：=12 =143硬件电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图与结构图系统总体框图如图3-1所示，主要由控制模块、无线模块、摄像头模块、电机驱动模块、电源模块组成，系统架构图如图3-2所示图3-1系统总体框图图3-2系统结构框图3.1.2电源稳压模块原理图 源稳压模块，电路中需要5.0V和3.3V电压，其电路原理图如图3-3所示。图3-3 电压稳压模块电路图系统的电源输入由两块锂电池串联提供能源，输入电压为 8.4V，为了得
10、到5V和3.3V的板极电压，采用ASM1117-3.3系列电源管理芯片进行变压，输入幅值和纹波均能满足系统要求的电压值。3.1.3无线模块电路原理图nRF24L01无线模块电路图如图3-4所示。无线模块用于子系统和主系统之间进行通信，子系统接收编码器的信号，单片机进行处理之后，将控制变量通过无线模块发送给主系统，主系统接收到变量后，控制电机运转。图3-4 无线模块电路图3.2程序的设计3.2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述 滚球系统能够在系统运行之后，通过摄像头读取小球状态，通过无线模块发送坐标，从而根据坐标控制平板倾斜是小球运动到指定地点。程序最终运行结果表明，该倒立摆能够完成题目
11、中的各项要求。2、程序设计思路主机和从机开机以后，进入初始化界面，手动调节平板平衡位置，然后定位板上九孔位置，等待中断，读取页面序号，通过序号确定屏幕上的显示以及执行第几问。然后不断通过无线模块接收小球当前坐标位置，进入PID调节，进行当前坐标与期望坐标比对，输出PWM信号控制舵机使平板倾斜，从而控制小球运动到指定区域。3.2.2程序流程图1、 程序流程主要由平板控制与小球坐标确定两部分组成，平板控制部分如图3-5所示图3-5 平板控制程序流程图2、小球坐标定位程序流程图开始进入先初始化摄像头以及无线模块，然后进行摄像头边框处理，然后对图片二值化处理，左后计算出小球坐标，具体程序流程如图3-6
12、所示：图3-6 小球坐标定位流程图4系统测试结果与分析4.1测试条件及仪器测试条件：光照充足，架构稳定。测试仪器：秒表，直尺。4.2测试结果及分析1. 测试结果基础部分：次数 / s项目第一项第二项第三项第四项15s5.3s5s6s25s4.88s5.6s7s35s3.51s6s6.5s45s4.04s5.2s7.3s发挥部分：次数 / s项目第一项第二项第三项112.58s18s27.31s211.45s14.21s25.31s314.44s13.71s25.29s412.32s 15.3225.69s第四项 ：画圆，半径可调。2. 结果分析根据上述测试数据与实际观察，小球运动时间大多都远低
13、于题目要求时间，小球定位也精准，由此可以得出以下结论：1、小球定位存在误差，但在允许误差范围内。2、每个项目从起始时间到结束时间都低于题目要求。综上所述，本设计达到设计要求。5结论与心得通过这次比赛，本组成员都觉得收获颇多。一起学习到了很多，对PID算法以及摄像头图像处理都有了很大的了解。在制作的过程中，我们遇到了很多问题，比如一开始架构不稳定问题，24L01数据丢失问题，PID参数调节问题等等，这些问题大大消耗了我们的时间精力，但是，在困境中我们并没有放弃，相互鼓励着，努力找出问题，解决问题，一步步的走出困境。在这比赛的四天三夜，其中有遗憾同样也有收获。我们感受到到了团队的力量，沟通的重要以及遇到困难不退缩迎难而上的宝贵精神。最后感谢学校以及全国大学生电子设计竞赛组委会给我们提供这么优秀的平台和机会。