哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院 董書航 王 超 劉振國

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)的硬件電路主要由單片機(jī)控制模塊、攝像頭采集模塊、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)部分、電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。

1.1 單片機(jī)的論證與選擇

方案一：STC公司出產(chǎn)的STC15F2K60S2單片機(jī)。STC15F2K60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘的單片機(jī)，是高速新一代8051單片機(jī)，內(nèi)部集成專用復(fù)位電路，2路PWM，針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合，并且價(jià)格低廉。但是此芯片頻率較低，性能很弱，數(shù)據(jù)量大時(shí)速度難以滿足要求，無法承擔(dān)復(fù)雜的運(yùn)算及顯示。而且其功能單一，片內(nèi)資源匱乏，且需要仿真器來實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。

方案二：意法stm32f103zet6。此芯片為ARM 32位的Cortex-M3，具有最高72MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHZ并可進(jìn)行單周期乘法和硬件除法，性能優(yōu)越，編程簡單，io口及片內(nèi)硬件資源豐富，可輕松進(jìn)行大量的運(yùn)算。但缺點(diǎn)是價(jià)格較高，而且對于攝像頭等高速器件處理能力較差，難以應(yīng)付大量的復(fù)雜運(yùn)算。

方案三：kinetis MK60單片機(jī)，此芯片為ARM32位的cortex-M4內(nèi)核，具有最高180MHZ的工作頻率，具有硬件浮點(diǎn)單元，可進(jìn)行快速單精度浮點(diǎn)運(yùn)算。性能強(qiáng)大，編程簡單。配合CMSIS的DSP算法庫可輕松實(shí)現(xiàn)如FFT等功能，可以輕易應(yīng)對大量復(fù)雜計(jì)算，并且不需要專用的仿真裝置，可以非常方便的進(jìn)行仿真模擬。片內(nèi)資源豐富，io口充足。缺點(diǎn)是價(jià)格較高。

綜合以上三種方案，選擇方案三（圖1）。

1.2 攝像頭采集的論證與選擇

方案一：采用兩個(gè)CCD線性光學(xué)傳感器。CCD光學(xué)傳感器可以掃描一列的光學(xué)信號，采用兩個(gè)CCD傳感器即可交叉獲取小球的X軸及Y軸坐標(biāo)，從而完成小球的定位。但是難以完成兩個(gè)傳感器的安放與固定，并且存在響應(yīng)檢測速度慢，平板的邊緣檢測精度不高等問題。

圖1 單片機(jī)系統(tǒng)電路

方案二：普通黑白攝像頭。黑白攝像頭經(jīng)過硬件二值化后可以輕易分辨整個(gè)板子的全貌，區(qū)分板子與小球并且完成定位，功能齊全，速度較快，可以實(shí)現(xiàn)題目的各項(xiàng)要求。但是由于只能識(shí)別單色，故采集信息單一，擴(kuò)展性差。

方案三：彩色攝像頭。彩色攝像頭采集的信息非常豐富，可以識(shí)別板面上的顏色信息，通過顏色輔助小球定位，可以較好的達(dá)到抗畸變和識(shí)別精度的問題，可以實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能，缺點(diǎn)在于采集的信息量大，對于算法和單片機(jī)的處理速度均有較高的要求，而當(dāng)前采用的單片機(jī)仍然難以完成采集和處理。

綜合以上三種方案，選擇方案二。

1.3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的論證與選擇

方案一：采用直線電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)配合絲桿。此方案的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方式較為簡單，通過直線電機(jī)抬升和降低板子的高度，控制較為方便，運(yùn)算工程量較少。缺點(diǎn)在于此結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度較慢，存在無法及時(shí)調(diào)節(jié)板子的傾斜角度的問題。

方案二：采用舵機(jī)配合萬向桿。此方案機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制方式略微復(fù)雜，用萬向桿將舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為板子高度的變化，運(yùn)動(dòng)速度較快，響應(yīng)及時(shí)，調(diào)節(jié)范圍和精度均能滿足要求，缺點(diǎn)是控制困難，而且舵機(jī)角度變化和板子高度變化并非線性關(guān)系，需要進(jìn)行計(jì)算和換算。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

2 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

2.1 小球的定位與控制

由攝像頭采集小球的當(dāng)前坐標(biāo)，設(shè)定目標(biāo)地點(diǎn)的坐標(biāo)，確定相對坐標(biāo)，和當(dāng)前小球坐標(biāo)做差，得到水平方向與垂直方向的兩個(gè)誤差，然后用誤差帶入PID函數(shù)，分別計(jì)算控制兩個(gè)軸的兩個(gè)舵機(jī)的參數(shù)，然后換算得到相對于舵機(jī)中值的增量PWM值，控制舵機(jī)調(diào)節(jié)平板的運(yùn)動(dòng)狀況。

2.2 目標(biāo)點(diǎn)位置的確定

方案一：直接在白板上用黑色顏料標(biāo)定多個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的位置，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是，即使攝像頭發(fā)生偏移或是采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)了誤差，仍然能準(zhǔn)確的確定目標(biāo)點(diǎn)位置，缺點(diǎn)在于采用黑白攝像頭時(shí)，難以區(qū)分目標(biāo)點(diǎn)與小球，造成誤判。

方案二：用軟件直接存儲(chǔ)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，優(yōu)點(diǎn)是攝像頭需要采集的數(shù)據(jù)僅有小球的位置，清晰明了，程序容易處理和識(shí)別。缺點(diǎn)在于抗干擾性較差，小球的位置容易與目標(biāo)點(diǎn)出現(xiàn)一定的偏差。

綜合考慮軟硬件的情況，方案二較為容易實(shí)現(xiàn)，攝像頭帶來的誤差可以采用濾波以及各種圖像糾正算法解決，經(jīng)過測試效果良好。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 系統(tǒng)總體框圖

3.2 電源部分電路原理圖

圖3 電源部分系統(tǒng)電路

電源由電池、穩(wěn)壓部分組成。為整個(gè)系統(tǒng)和單片機(jī)提供穩(wěn)定5V與3.3V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。這部分電路比較簡單，都采用穩(wěn)壓管與穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)，故不作詳述。

3.3 其他外設(shè)部分電路原理圖

圖4 其他外設(shè)電路

3.4 程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，程序主要實(shí)現(xiàn)對攝像頭信息的采集和處理、舵機(jī)位置的控制、數(shù)據(jù)的顯示和按鍵的輸入幾方面。

攝像頭的采集和處理部分主要負(fù)責(zé)定位在板面上的小球，將小球位置轉(zhuǎn)化為XY的坐標(biāo)值供程序進(jìn)一步處理。小球的質(zhì)心可以采用質(zhì)心算法進(jìn)行計(jì)算，也可直接求中點(diǎn)坐標(biāo)，二者差別不大，為減少運(yùn)算量，采用求中點(diǎn)的方式來求小球的質(zhì)心坐標(biāo)。

舵機(jī)位置控制主要由PID算法實(shí)現(xiàn)，將目標(biāo)位置和小球當(dāng)前位置進(jìn)行比較處理，從而計(jì)算出舵機(jī)的打角方向與大小，通過機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)而控制平板的傾斜方向，使小球在重力的作用下滑向指定位置。

顯示與輸入：數(shù)據(jù)顯示主要由LCD顯示屏承擔(dān)，可以顯示小球運(yùn)動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)，還可以顯示攝像頭采集的數(shù)據(jù)，顯示系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)等。輸入部分由按鍵實(shí)現(xiàn)，按鍵檢測采用中斷或者輪詢的方式，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)程序的參數(shù)以及實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

3.5 程序流程圖

圖5 程序流程圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了攝像頭對物體位置及運(yùn)動(dòng)狀況的采集和處理，進(jìn)而控制機(jī)械結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)的動(dòng)作。稍加改動(dòng)即可應(yīng)用于許多需要精確控制的場合。相比于傳統(tǒng)識(shí)別方式，攝像頭具有采集信息量大，識(shí)別范圍廣，靈活多變等優(yōu)點(diǎn)。必將在未來得到廣泛的應(yīng)用。