《滚球控制系统设计报告最终版12146.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《滚球控制系统设计报告最终版12146.pdf（6页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、-全国大学生电子设计竞赛 B 题滚球控制系统 摘要 滚球控制系统是一种典型的多变量，非线性的欠驱动控制系统，其目的是为了实现小球的镇定控制与轨迹跟踪。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的坐标，程序设定小球的运动轨迹。采用增量式 PID 算法，比例环节进展快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使系统具有良好的性能，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，具有很好的稳定性。本系统通过大量的调试 PID 参数，最终可以实现轨迹路径运动，静态平衡等题目容。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
2、2 1.1 系统根本方案 2 1.1.1 控制方案设计 2 1.1.2 机械构造方案设计错误!未定义书签。1.2 方案选择与论证.1 单片机的选择 1 摄像头的选择.2 二、系统理论分析与计算 2 2.1 摄像头检测小球算法的分析 3 2.2 增量式 PID 控制算法的分析 2 三、电路与程序设计 3 3.1 电路的设计 3 3.2 程序的设计 4 程序功能描述与设计思路 4 程序流程图 4 四、测试方案与测试结果 5 4.1 测试方案 5 4.2 测试条件与仪器 5 4.3 测试结果及分析 5 1测试结果 5 2测试分析与结论 6 五、结论与心得 6-滚球控制系统B 题【本科组】一、系统方案
3、 1.1 系统根本方案 1.1.1 控制方案设计 根据题目要求，根本需要 LCD 显示屏，矩阵键盘，摄像头以及舵机等外设，用键盘输入指令选择系统需要执行的相关程序。摄像头用于图像采集，根据采集的数据来计算小球当前位置和目标位置的距离，通过单片机，利用 PID 算法进展控制，使小球朝着要求的目标位置运动，同时 LCD 显示经过处理的运动画面。图 1-1 1.1.2 机械构造方案设计 由于平板边长65cm较长，且要求摄像头要俯拍平板全画面，所以要求装置底座构造稳定，支撑摄像头支架稳定不晃动。平板材料方面，选用轻便的硬质塑料泡沫材料与舵机传动轴进展刚性连接，既能保证连接处的稳定，又可到达灵活目的。电
4、机选择方面，既要保证推力够大，能够实现题目根本要求中的轨迹移动、快速制动静止。评判中心作为坐标系原点，*轴、y 轴各放置一个伺服电机，利用伺服电机控制*、y 轴可实现对平板各个方向倾斜的控制。1.2 各局部方案选择与论证 1.2.1 单片机的选择 采用 K60 单片机。操作简单，带有配套的 LCD 显示屏，可准确显示出图像以及小球的坐标信息。并且开发环境非常容易搭建，2 路 PWM 控制两个舵机，单片机可控制舵机转动，从而实现小球的移动。符合题目所需的控制要求。1.2.2 摄像头的选择 方案一：摄像头选择的是 OV7725 型可以硬件二值化的鹰眼摄像头，像素 30万，传输速率到达 60fps，
5、视场角到达 63，拥有很好的低照度。可以满足本系统所需。方案二：选择 ov7670 图像传感器。体积小，工作电压低，根本与 ov7725 一样。但是视场角只有 23，由于板子边长较大，视场角小的话需要把摄像头抬高，这样影响模型的稳定。并且 ov7670 不能进展硬件二值化处理摄像头采集的图像。-综合考虑，为了方便实现功能，选择方案二。二、系统理论分析 2.1 摄像头检测小球算法的分析 系统使用白色泡沫板材，黑色硬质小球，摄像头采集图像通过硬件二值化：（1）处理二值化图像，黑为 0，白为 255.（2）将 0，255 化的图像装进一个二维数组。（3）进展行扫描。（4）进展列扫描。（5）如果为 2
6、55，则分别将*，y 坐标输出到两个一维数组。（6）该一维数组第一个和最后一个数组相加除以 2，即为*，y坐标。2.2 增量式 PID 控制算法的分析 增量式 PID 控制将当前时刻的控制量和上一时刻的控制量做差，以差值为新的控制量，是一种递推式的算法。增量式 PID 控制主要是通过求出增量，将原先的积分环节的累积作用进展了替换，防止积分环节占用大量计算性能和存储空间。增量式 PID 控制的主要优点为：算式中不需要累加。控制增量 u(k)确实定仅与最近3 次的采样值有关，容易通过加权处理获得比拟好的控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响围小、不会严
7、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，可以作到无扰动切换。PID 算法的公式：I=Kip*Ts/Ti;Ad=Kip*D/Ts;Kip 为比例项系数；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：上述公式进一步推倒：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、电路与程序设计 3.1 电路的设计 如图 3-1 电池充满电 7.2V 左右，CPU 和蓝牙工作电压为 5V，摄像头，
8、LCD，拨码开关工作电压为 3.3V。因此有 7.2V 转 5V 和 5V 转 3.3V 模块。如图 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 主要元件电路设计图3.2 程序的设计 程序功能描述与设计思路 1、程序功能描述 系统采用按键控制输入指令，按照每一题的要求设置相应的指令，系统会作出相应的反响，数据会反响到与单片机相连的显示屏上。2、程序设计思路 根本要求1通过调试在伺服电机的初始状态时平板处于水平平衡状态。根本要求 2需要采用闭环控制算法，当小球进入图像时，找到目的坐标，利用 PID算法控
9、制伺服电机倾斜平板使小球移动。根本要求3要采用闭环控制，需要规划出小球行进路线。根本要求4同3但是需要加快伺服电机的执行效率。程序流程图 1、主程序流程图 2、PID 算法框图 四、测试方案与测试结果 4.1 测试方案（1）伺服电机带动平板使小球保持平衡，记录稳定过程需要的时间以及剧中心点的偏差，测量 6 次。（2）小球放置在平板区域 1，开场运动到区域 5，稳定在区域 5，记录稳定所需时间，记录平衡位置与区域 5 中心位的误差。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。记录完成所需的时间以选择 舵机 度速度改角
10、度速度-及在区域 4 和区域 5 停留时间。4在 30 秒，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。记录停留时间。4.2 测试条件与仪器 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.
11、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测试分析与结论 根据上述测试数据，该滚球控制系统已能到达根本局部全部要求和性能指标，由此可以得出以下结论：PID 参数调试需要大量的调试与实验，找到最适合运动状态的参数组。如果少量的实验数据并不能实现滚球系统的准确控制，但通过测试得到的参数根本上可以满足要求。五、结论与心得 经过几天努力奋战，从开场准备到第一时间接到题目，一直都全身心地投入比赛之中。虽然尝试过以前的制作类似的题目，但是真正进入比赛还是有不一样的心情。在制作硬件时遇到了一些问题，时间很急，而且还没有开场调试，大家都感-到很慌乱，心里没有底，甚至想到过放弃。但是静下心来，大家一起努力从新来过，虽然浪费了不少的时间，但是还是成功的完成了硬件的调试。有辛酸也有欣喜，每当取得一点点的进步，都会欣喜假设狂。也许这次比赛我们不是最优秀的，但我们一定是最努力的。也许不能取得好成绩，但也不会有遗憾。至少努力了，奋斗了。当然还要感学校教师后勤工作支持，是我们能安心比赛，同时也感大赛组委会给了我们这次重要的时机锻炼自己。