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1、2023年TI杯江苏省高校生电子设计竞赛题目：滚球限制系统题目编号：B参赛队编号：XZ037参赛队学校：参赛队学生：2023年8月12日摘要：本设计是以STM32单片机为核心、采纳视觉检测技术的的滚球限制系 统，实现对小球在平板滚动的精确限制功能。本设计基本模块包括MCU、摄像 头、显示屏、机械平台、按键输入，其中MCU即STM32 F429开发板，摄像头采 纳OV2640,显示屏选择7寸TFT触摸屏。通过摄像头获得图像数据，分析小球 位置来限制平板倾斜，达到限制小球的目的。关键词：单片机STM32、视觉检测、图像识别、0V2640Abstract: This design is based
2、on STM32 single-chip microcomputer and the ball rolling control system with visual detection technology to realize the precise control function of the pellet rolling. The basic modules of this design include MCU, camera, display, mechanical platform, keystroke input, among which MCU is the STM32 F42
3、9 development board, the camera adopts 0V2640, and the display screen selects the 7-inch TFT touch screen. The image data is obtained by the camera, and the position of the ball is analyzed to control the tilt of the plate to achieve the goal of controlling the pellet.Keywords: 0V2640 Vision Detecti
4、on Technology Image Identification书目前言4二系统方案设计51平板限制方案52位置采集方案53小球材料方案5三理论分析及计算61小球位置的分析及计算62限制算法分析6四电路及程序设计71系统程序流程设计72摄像头电路73视觉定位流程设计74舵机的限制思路8五系统测试81测试仪器82测试方案及结果86总结9题目要求我们在3cm直径的圆内稳定2cm左右的小球，精度很高。本试验 首要问题就是要解决获得小球位置的难题。为此，我们采纳摄像头采集数据， 单片机分析小球位置，及目标位置相比获得限制输入量，限制平板机械结构运 动。二系统方案设计1平板限制方案方案一：推杆电机上
5、下推动，这种方案材料易得，平板稳定，但是无法限 制行程，甚至须要mpu6050加入其次个限制环。方案二：步进电机+丝杆，有现成器材，行程可控，速度可调，简洁实现 PIDo但机械结构难以组装。方案三：舵机，角度及占空比成线性关系，不存在失步，力矩大。在可行性及精确度指标上比较过后，确定采纳方案三。2位置采集方案方案一：在木板X及丫边缘分布大量光电收发二极管，为了实现题目要求 3cm以内的定位，每侧须要60/3=20个。难度低，但须要大量10 口，精度也很 不志向。方案二：摄像头采集数据，精度高，大量DMA中断操作使得PWM很不精 确，导致舵机不稳定。经过探讨，我们确定运用方案二。3小球材料方案方
6、案一：木球，重量轻，有利于快速反应。但是不太圆方案二：铁球，惯性大，加速度慢，有利于稳定。方案三：选用RoboMaster竞赛的子弹。此圆球质量适中，漫反射材料有利 于小球像素提取。但是不简洁获得。多次试验并比较之后，我们采纳方案二。三理论分析及计算1小球位置的分析及计算0V2640是高像素的emos摄像头，但现有模块中没有FIFO,存取速度极大 影响了主程序运行，因此采纳DMA不经CPU传送数据，协作STM32F4系列特有 的DCMI,节约运算资源。小球的质心有多种方法计算。由于板上只有一个小 球，采纳霍夫圆变换消耗过多运算资源得不偿失；获得小球上下左右四顶点求 平均方法很简洁，精度足够；本
7、设计中采纳小球坐标相加求平均，即质心。对 于图像中的噪点，通过检测两个连续的像素点，来粗略推断是否是小球。我们采纳180个像素点来显示Y轴坐标值，误差60cm/180=3.33nim。小球 2cm,在圆心处距离圆边界有5mm,因此误差可满意精度要求，但对限制要求较 高。2限制算法分析平板倾斜角及舵机转角成正比，而舵机转角及占空比成正比。即限制倾斜 角度仅需设定占空比。本系统采纳PID算法来限制角度。系统起先工作后，摄像头不断采集当前 小球坐标，并及设定坐标比较，使得舵机的运动渐渐趋向平稳。PID算法限制 器由舵机转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。其输入e(t) 及输出U(t)的关
8、系为：U(0= P* +G(s)=F*E(s)它的传递函数为：1 + D*s位置误差比例P：对平板角度进行比例调整，即对PWM占空比调整。比例 越大，调整速度越快。过大可能造成平板工作状态突变而使小球不稳定。位置误差积分I:使系统消退稳态误差，提高无差度。加入积分调整可使系 统稳定性下降，动态响应变慢。由于小球滚动速度很快，须要很快响应速度，因 此，本系统对积分调整就特别弱。即保证在不须要时系统不会受到影响。位置误差微分D：微分作用反映平板角度的改变率，能预见偏差改变的趋 势。因此能产生超前的限制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调整作用消 退。可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适状况
9、下，削减调整时间。四电路及程序设计1系统程序流程设计要求二2摄像头电路VCC3.3 .-r . UIt-i：)riONDCE NCXC62I9BI32MRAOND GNDGND|VCCI.3 再口 |叫104GNDOV D3OV DIOV D：OVJD4 OV DfON PCLK E3DOTD EVDD EDDY4DVDDY5DDDY6 1 wY7STDSDDATOS1O CSGND| S1O DAGNDPCLKEGNDI HREFDOOND；VSYNCDGXDXVCLKDONDPWDN RESETBVREFN，STROBEVREFHEXPST BFREXNCOV2640,6OV HRF C3
10、OR VSYNC 正 ov x clkF OV PWDN 前 OX RESET C6VCC28BlT圄上上上ToTio4-pO4k 逊笆HS 3 IGNDOV DJAGNDot PCLKOV PWDNGNDGXD-VCCGXP OUT U.OOOMhrOV SCLOV SDAO 1)0OV D：7 91113 ISVCC3.3OVVCC3.33 OV XVCLKGNDVSYNCOV IfREF() RFSHOV D】O D3NCHeader 9X23视觉定位流程设计像素获得 二值化轮廓检测消退噪点获得小球中心4舵机的限制思路在运用舵机的过程中，我们发觉角度及占空比，并不是严格的线性关系。 粗略
11、描绘散点图后，我们采纳两段一元方程对其进行近似。如：if(PID0)pwm=-PID/25+60; /60是我们实际调整平板平衡时的占空比else Pwm=-PID/30+60; /25及30是我们测试近似的系数五系统测试1测试仪器(1)量角器(2)T型尺2测试方案及结果表1:基本要求测试目标值1实际值1误差值1目标值2实际值2误差值21(30, 98)(28, 99)(2,-1)(100,30)(96, 33)(4, 3)2(30, 98)(32, 100)(2,2)(100,100)(93, 96)(7,4)3(30, 98)(31,99)(1,-1)(200,200)(194,207)(
12、6, -7)表2：发挥部分1、2测试时间(S)目标值实际值误差值第一步13(100, 30)(95, 28)(5, 2)其次步13(198,99)(192,97)(6, 2)第三步15(199,199)(194,195)(5,4)3测试数据分析发挥部分的实际测试中发觉，误差值总是有趋势地向某一方向偏移。通过 有意识将目标值向误差反方向移动，实际值则及题目要求特别符合。分析之后 我们发觉，由于我们用的小球并不是完备圆形，某一面总是弧度更小，滚动时 在这里更简洁停止。通过对比集几种不同材质的运动路径，我们发觉质量越大的球惯性越大， 算法收敛时更趋向稳定，但当算法发散时则简洁滚出平板外，如铁球便属于
13、这 种材质。而质量小的球如木球，惯性较小，角度稍大简洁导致失控，所以我们 调整时，比例系数要设定的很低。6总结本系统运用STM32 F4系列单片机，频率高达168MHz,片内有DCMI图像接 口，便利我们接收处理图像，优势明显。设计中运用软件二值化，之后对图像 进行初步的降噪处理，通过简洁的算法识别小球质心，实现了基于视觉检测限 制小球滚动的目的。由于时间短暂，本系统并不完备，还有很多地方可以改 进，如:(1)运用3级的Canny算子对图像进行处理，检测出明显轮廓，使得本设 计对视觉要求降低很多，镜头内可以出现随意干扰、不必担忧小球反光、平板 的位置可以随意摆放。(2)运用霍夫圆变换检测小球位置，可以忽视图像内噪点的影响，使位置 检测更稳定。(3)运用卡尔曼滤波预料小球位置，可以极大程度上减小系统时延，提高 精度。通过本次赛前打算，接触到了很多技术，学到了很多学问。虽然今年的电 子设计大赛已经结束，但是要学习的东西还有很多，以后也肯定要努力学习电 子学问。