韓政霖

【摘 要】本文介紹了基于STM32的滾球裝置的總體結(jié)構(gòu)和控制原理，根據(jù)小球的位置信息控制小球到達指定點。

【關(guān)鍵詞】STM32；滾球系統(tǒng)；圖像處理；定位控制

整個系統(tǒng)的難點在于小球運動位置檢測與處理，這里使用open MV攝像頭采集圖像信息。將攝像頭懸掛于球板的正上方，連續(xù)采集球和板的圖像，控制系統(tǒng)通過圖像采集和圖像分析操作得到小球在板上的位置信息。同時控制系統(tǒng)得到舵機編碼器反饋的兩個舵機轉(zhuǎn)角，并根據(jù)舵機轉(zhuǎn)角的換算關(guān)系計算出平板相對于水平位置的轉(zhuǎn)角，求得小球質(zhì)心在球盤坐標系的實際位置，進而對小球進行定位控制。本次設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可控性強。

一、系統(tǒng)方案

系統(tǒng)包含電機模塊、驅(qū)動模塊、主控、電源、攝像頭、安裝支架及其他硬件結(jié)構(gòu)。

二、電機

舵機，舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。

三、驅(qū)動電路

在常見的驅(qū)動電路設(shè)計中，LM系列和W系列的芯片都可以供其使用。LM2941，LM2941芯片不但可在低輸入輸出壓差下工作，而且輸出可調(diào)。且LM2941還具有短路保護、熱過載保護和自我保護功能

四、主控芯片

本次設(shè)計主控芯片使用STM32103ZET6。ARM32位 Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，1.25MIPS/MHz.片上集成32-512KB的FLASH存儲器。6-64KB的SRAM存儲器。2.0-3.6V的電源供電和I/O借口的驅(qū)動電壓。上電復(fù)位，掉電復(fù)位和可編程的電壓探測器。3種低功耗模式：休眠、停止、待機模式。

五、傳感方式

即位置傳感方案和視覺傳感方案。視覺傳感方式，視覺反饋和編碼器反饋相結(jié)合得到系統(tǒng)的反饋并以此為依據(jù)進行控制。即攝像頭懸掛于球板的正上方，連續(xù)采集求和板的圖像，控制系統(tǒng)通過圖像采集和圖像分析操作得到小球在板上的位置信息。

六、系統(tǒng)理論分析與計算

（一）小球的檢測

對于球的檢測，所用的基本工具是Hough變換，Hough變換的基本思想是：利用圖像的全局特征將圖像的邊緣像素連接起來構(gòu)成封閉的邊界，將圖像空間變換成參數(shù)空間，并對空間的點進行描述，達到檢測邊緣的目的，該方案把可能落在邊緣的點進行統(tǒng)計，根據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果確定屬于邊緣的程度。其優(yōu)點就是對于隨機噪聲的魯棒性，局部殘損的不敏感性以及適用于并行處理等優(yōu)良特性，可以將圖像中較為困難全局檢測問題轉(zhuǎn)換為空間中響度容易解決的問題。

小球檢測的步驟：1.將采集的彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像；2.對圖像進行預(yù)處理，及高斯濾波和Canny算子的邊緣檢測；3.在預(yù)處理的圖像中應(yīng)用改進的霍夫圓檢測算法，獲取圓的位置信息。

（二）控制方法分析

控制系統(tǒng)的位置信息由視覺系統(tǒng)得到。攝像頭采集到小球和平板的圖像并經(jīng)過圖像處理和圖像識別后得到小球的質(zhì)心位置，同時控制系統(tǒng)得到舵機編碼器反饋的兩個舵機轉(zhuǎn)角，并根據(jù)舵機轉(zhuǎn)角的換算關(guān)系計算出球盤相對于水平位置的轉(zhuǎn)角，求得小球質(zhì)心在球盤坐標系的實際位置。

為了使運動的小球穩(wěn)定在平板上一個特定的位置，首先定義幾個坐標系和變量：圖像坐標系I（u，v），攝像機坐標系C（X ，Y，Z），世界坐標系W（r，p，q）。其中，圖像坐標系I以像素為單位，攝像機坐標系C與世界坐標系以物理尺寸為單位。

板球系統(tǒng)控制流程思想如下：

1.系統(tǒng)初始化，首先進行視覺系統(tǒng)標定，機械系統(tǒng)標定以及各變量初始化以及運動控制系統(tǒng)初始化；2.控制系統(tǒng)開始工作，每隔控制周期到來時采集一幀圖像，通過對圖像進行圖像處理操作得到小球質(zhì)心在圖像中的坐標；3.根據(jù)攝像機標定得到的攝像機參數(shù)矩陣，通過坐標映射得到小球在世界坐標系中的真實位置；4.根據(jù)3的結(jié)果和控制策略，計算舵機轉(zhuǎn)角，控制系統(tǒng)根據(jù)計算結(jié)果向執(zhí)行機構(gòu)下發(fā)控制指令。

舵機驅(qū)動電路及其參數(shù)計算

V0計算公式： V0=（1+R2/R1）×VREF

穩(wěn)壓電路及其參數(shù)計算 V0=（1+R3/R4）×VREF+IADJ

其中VREF為1.25V，IADJ為R2的參考電流。

小球運動檢測與處理

閾值分割是根據(jù)圖像的某些特征或特征集合的相似性準則，對圖像像素進行分組聚類，把圖像平面劃分為一系列有意義的區(qū)域，便后續(xù)的分析、識別等高級處理階段需要處理的數(shù)據(jù)量大大減少，同時又保留有關(guān)圖像結(jié)構(gòu)特征的信息。

對圖像進行閾值分割后得到二值圖像，就可以提取小球的位置信息了。首先計算小球質(zhì)心的圖像坐標，再對圖像坐標進行坐標變換，從而的到小球在世界坐標系的真實坐標。每個控制周期來臨時，攝像機會采集一幀圖像，運動物體的實時質(zhì)心提取過程，就是在進入每個控制周期的時候?qū)z像機采集的這一幀圖像進行二值化操作和質(zhì)心提取操作，程序會用一個紅色“+”標識質(zhì)心所在，質(zhì)心的圖像坐標（u，v），小球在滾動時質(zhì)心的跟蹤性良好，能夠滿足控制系統(tǒng)的實時性要求。每個控制周期的實時質(zhì)心提取過程完成后，程序通過實時質(zhì)心提取過程得到的小球質(zhì)心的圖像坐標數(shù)據(jù)，經(jīng)過坐標變換計算得到小球在世界坐標系中的真實坐標平板上的坐標。

七、執(zhí)行機構(gòu)控制算法

每個控制周期得到小球真實位置后，控制程序就可以對小球驚醒位置控制了。本程序采用最簡單的PID控制算法實現(xiàn)這一過程。Kp，Ki，Kd分別為控制參數(shù)P，I和D。PID控制參數(shù)可由用戶在控制開始之前設(shè)置。

八、結(jié)論

板球設(shè)計系統(tǒng)相對穩(wěn)定，可以實現(xiàn)小球走固定軌跡，也可實現(xiàn)小球在木板上相對穩(wěn)定。endprint