摘要

滾球控制系統(tǒng)是一種典型的多變量，非線性的欠驅動控制系統(tǒng)，其目的是為了實現(xiàn)小球的鎮(zhèn)定控制與軌跡跟蹤。本系統(tǒng)利用攝像頭采集信息，經過攝像頭硬件二值化得到小球的坐標，程序設定小球的運動軌跡。采用增量式PID算法，比例環(huán)節(jié)進行快速響應，積分環(huán)節(jié)實現(xiàn)無靜差，微分環(huán)節(jié)減小超調，加快動態(tài)響應。從而使系統(tǒng)具有良好的性能，能很好地實現(xiàn)自由擺運動、快速制動靜止、畫圓、按指定方向偏移，具有很好的穩(wěn)定性。本系統(tǒng)通過大量的調試PID參數(shù)，最終可以實現(xiàn)軌跡路徑運動，靜態(tài)平衡等題目內容。

關鍵詞：增量式PID算法，圖像處理，PWM，硬件二值化

1.系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)基本方案

1.1.1 控制方案設計

根據(jù)題目要求，基本需要LCD顯示屏，矩陣鍵盤，攝像頭以及舵機等外設，用鍵盤輸入指令選擇系統(tǒng)需要執(zhí)行的相關程序。攝像頭用于圖像采集，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)來計算小球當前位置和目標位置的距離，通過單片機，利用PID算法進行控制，使小球朝著要求的目標位置運動，同時LCD顯示經過處理的運動畫面。

1.1.2 機械結構方案設計

由于平板邊長（65cm）較長，且要求攝像頭要俯拍平板全畫面，所以要求裝置底座結構穩(wěn)定，支撐攝像頭支架穩(wěn)定不晃動。平板材料方面，選用輕便的硬質塑料泡沫材料與舵機傳動軸進行剛性連接，既能保證連接處的穩(wěn)定，又可達到靈活目的。電機選擇方面，既要保證推力夠大，能夠實現(xiàn)題目基本要求中的軌跡移動、快速制動靜止。評判中心作為坐標系原點，x軸、y軸各放置一個伺服電機，利用伺服電機控制x、y軸可實現(xiàn)對平板各個方向傾斜的控制。

1.2 各部分方案選擇與論證

1.2.1 單片機的選擇

采用K60單片機。操作簡單，帶有配套的LCD顯示屏，可精確顯示出圖像以及小球的坐標信息。并且開發(fā)環(huán)境非常容易搭建，2 路PWM控制兩個舵機，單片機可控制舵機轉動，從而實現(xiàn)小球的移動。符合題目所需的控制要求。

1.2.2 攝像頭的選擇

方案一：攝像頭選擇的是OV7725型可以硬件二值化的鷹眼攝像頭，像素30萬，傳輸速率達到60fps，視場角達到63°，擁有很好的低照度。可以滿足本系統(tǒng)所需。

方案二：選擇ov7670圖像傳感器。體積小，工作電壓低，基本與ov7725相同。但是視場角只有23°，由于板子邊長較大，視場角小的話需要把攝像頭抬高，這樣影響模型的穩(wěn)定。并且ov7670不能進行硬件二值化處理攝像頭采集的圖像。

綜合考慮，為了方便實現(xiàn)功能，選擇方案二。

2. 系統(tǒng)理論分析

2.1 攝像頭檢測小球算法的分析

系統(tǒng)使用白色泡沫板材，黑色硬質小球，攝像頭采集圖像通過硬件二值化：

（1）處理二值化圖像，黑為0，白為255.

（2）將0，255化的圖像裝進一個二維數(shù)組。

（3）進行行掃描。

（4）進行列掃描。

（5）如果為255，則分別將x，y坐標輸出到兩個一維數(shù)組。

（6）該一維數(shù)組第一個和最后一個數(shù)組相加除以2，即為（x，y）坐標。

2.2 增量式PID控制算法的分析

增量式PID控制將當前時刻的控制量和上一時刻的控制量做差，以差值為新的控制量，是一種遞推式的算法。增量式PID控制主要是通過求出增量，將原先的積分環(huán)節(jié)的累積作用進行了替換，避免積分環(huán)節(jié)占用大量計算性能和存儲空間。

增量式PID控制的主要優(yōu)點為：

①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的確定僅與最近3次的采樣值有關，容易通過加權處理獲得比較好的控制效果；

②計算機每次只輸出控制增量，即對應執(zhí)行機構位置的變化量，故機器發(fā)生故障時影響范圍小、不會嚴重影響生產過程；

③手動—自動切換時沖擊小。當控制從手動向自動切換時，可以作到無擾動切換。

PID算法的公式：

I=Kip*Ts/Ti;

Ad=Kip*D/Ts;

Kip為比例項系數(shù)；I為積分項系數(shù)； Ad為微分項系數(shù)：

Ti為積分時間常數(shù)；D為微分時間常數(shù)；Ts 為采樣周期常數(shù)：

上述公式進一步推倒：

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)；

3. 電路與程序設計

3.1 電路的設計

如圖3-1電池充滿電7.2V左右，CPU和藍牙工作電壓為5V，攝像頭，LCD，撥碼開關工作電壓為3.3V。因此有7.2V轉5V和5V轉3.3V模塊。

如圖3-2PWM模塊一端接地一端接兩個舵機。藍牙，攝像頭，LCD，撥碼開關一端接地，一端接CPU。

3.2 程序的設計

3.2.1 程序功能描述與設計思路

1、程序功能描述

系統(tǒng)采用按鍵控制輸入指令，按照每一題的要求設置相應的指令，系統(tǒng)會作出相應的反應，數(shù)據(jù)會反饋到與單片機相連的顯示屏上。

2、程序設計思路

基本要求（1）通過調試在伺服電機的初始狀態(tài)時平板處于水平平衡狀態(tài)?；疽螅?）需要采用閉環(huán)控制算法，當小球進入圖像時，找到目的坐標，利用PID算法控制伺服電機傾斜平板使小球移動?；疽螅?）要采用閉環(huán)控制，需要規(guī)劃出小球行進路線?；疽螅?）同（3）但是需要加快伺服電機的執(zhí)行效率。