朱建軍，孫佳東，謝俊杰，李天順，姜衍超

(1.吉林化工學院，吉林吉林，132022；2.燕山大學，河北秦皇島，066004)

0 引言

PID[1]控制理論因其廣泛的工程應(yīng)用性，在高校的實驗課程中占有較大比重，但是目前常見的PID控制實驗裝置多為溫度、液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這類平臺普遍存在對實訓環(huán)境要求較高、參數(shù)設(shè)定困難、調(diào)節(jié)周期長等問題。該類實驗設(shè)備大都采購于教學儀器廠家，成本較高，維修升級麻煩。本文針對自動控制原理實驗課程，研制了小球懸浮實驗裝置[2]。該裝置操作簡單且便于維護，完全可以滿足自動化專業(yè)學生掌握PID原理、編程與應(yīng)用的需要。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由攝像頭、Arduino單片機、串口模塊、PWM調(diào)節(jié)器、玻璃筒、乒乓球、軸流風機等裝置組成，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計軟件程序及上位機界面。乒乓球放置在下方安裝有軸流風機的豎直玻璃筒內(nèi)，風機可吹動乒乓球在筒內(nèi)沿豎直方向運動。上位機與單目攝像頭連接，通過OpenCV進行顏色識別，可測得乒乓球在筒內(nèi)的位置信息，上位機通過PID算法處理位置信息，通過串口將輸出數(shù)據(jù)傳送給下位機，下位機接收到數(shù)據(jù)后，通過改變電機驅(qū)動板的輸入PWM波占空比，進而改變電機驅(qū)動板的輸出電壓，調(diào)整軸流風機風量，最終將乒乓球吹浮并穩(wěn)定于設(shè)定高度值處。PID參數(shù)、浮球位置設(shè)定值的設(shè)置可在上位機中進行，并且通過上位機監(jiān)視界面，還可以方便地觀察乒乓球位置實時變化情況。

2 硬件設(shè)計

小球懸浮實驗裝置硬件部分由攝像頭、PC機、Arduino微機、軸流風機、位置控制對象等組成。根據(jù)Arduino Mega 2560、USBTOTTL模塊、軸流風機、4~24V直流電壓源、自鎖開關(guān)等模塊的工作原理和使用方法，通過查找原理圖確定引腳的功能和連接方式，利用畫圖軟件繪制了硬件整體接線圖如圖1所示。

圖1 硬件整體接線圖

系統(tǒng)控制單元。該系統(tǒng)采用基于8位ATmega 2560芯片的Arduino Mega 2560單片機。該單片機片內(nèi)資源豐富、編程環(huán)境搭建快速、編程簡單快速、源碼開放，包含PWM接口、UART接口，時鐘、定時器等資源，負責接收PC數(shù)據(jù)和風機PWM脈寬調(diào)制。

串口通信[3]模塊。由于單片機的串口通訊采用TTL標準，因此本裝置采用USB TO TTL模塊實現(xiàn)上位機和單片機的通訊。本裝置串口波特率設(shè)置為115200bit/s，從而使系統(tǒng)整體具有較高的響應(yīng)速度。

軸流風機，具有安裝簡單、成本低廉、功耗低、散熱快、噪音低、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。San Ace 40軸流風機額定電壓為12V，使用范圍在8~13.2V之間，額定電流為 1.1A，最大風量在為0.85m3/min。運用此風機，系統(tǒng)的超調(diào)量較小，調(diào)節(jié)時間較短，能夠快速到達穩(wěn)態(tài)，并且系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)后，穩(wěn)態(tài)誤差能夠保持在一個較小的范圍內(nèi)。

3 軟件設(shè)計

■ 3.1 浮球定位

由單目相機為主要元件組成的單目視覺高度測量系統(tǒng)，通過小球在相機圖像視野中4的位置，采用比例映射法測量小球的高度信息。小球高度測量示意圖如圖2所示。

圖2 小球高度測量示意圖

玻璃導管標定零點到標定最高點之間的距離為H，用單目攝像頭將其投射到相機成像原件CCD靶面后，其在垂直方向所占像素點個數(shù)為N。小球每到達一個高度，在CCD靶面中都對應(yīng)著一個像素塊，像素塊的幾何中心距離圖像底部的像素個數(shù)為n。因此小球高度h可以通過下式計算：

式中：N、H都是常量，其中N可以通過設(shè)置感興趣區(qū)域更改，這里設(shè)置為320，H可以通過測量直接獲得，這里為83cm。因此可以計算出H與N的比值k為0.26cm，可將（1）式簡化為：

至此已經(jīng)完成了對坐標世界坐標的建立，接下來需要通過OpenCV計算機視覺庫對現(xiàn)場采集的圖像進行處理。在數(shù)字圖像處理中常用色彩模型是RGB模型和HSV模型，HSV模型更符合人描述和解釋顏色的方式，因此本文在HSV顏色空間模型下進行顏色識別。

通過攝像頭采集的圖像在OpenCV計算機視覺庫[4]中默認格式為BGR格式，因此需要將圖片從BGR格式轉(zhuǎn)化為HSV格式，再對圖像進行二值化處理，根據(jù)小球HSV值，將閾值范圍內(nèi)的像素點設(shè)置為1，閾值范圍外的像素點設(shè)置為0。對圖像進行二值化處理后，通過區(qū)域生長算法[5]獲得白色連通區(qū)域的面積大小，通過對比選擇出最大的連通區(qū)域，即是二值化處理后的小球圖形，其程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

在圖像處理過程中會產(chǎn)生一些干擾[6]，可以通過區(qū)域生長算法獲得干擾區(qū)域大小，若小于設(shè)定值則視為噪聲。區(qū)域生長算法先對每個需要分割的區(qū)域找到一個種子像素作為生長的起點，然后將種子像素周圍領(lǐng)域中與種子像素具有相似性質(zhì)的像素合并到種子像素所在的區(qū)域中，將這些新像素當做新的種子重復(fù)上面的過程。直到再沒有滿足條件的像素可被合并進來，生長停止。圖像經(jīng)過區(qū)域生長后，可以劃分為3個部分，分別是噪音、小球、背景，其中噪音占73個像素，小于設(shè)定值，被過濾，小球占293個像素，如圖4所示。

圖4 圖像消除干擾效果

■ 3.2 下位機程序

本次設(shè)計中，下位機需要具有開關(guān)狀態(tài)檢測、串口讀寫、PWM脈寬調(diào)制這三個功能，并且三個功能需要互不影響、協(xié)同工作，其具體流程為：下位機對硬件進行初始化，初始化成功后，I/O口對軸流風機開關(guān)狀態(tài)進行檢測，若開關(guān)狀態(tài)引腳發(fā)生改變，則會通過串口發(fā)送開關(guān)狀態(tài)改變信號給上位機，之后通過串口函數(shù)對串口輸入緩沖區(qū)進行檢測，若在串口緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)進入，程序會將串口數(shù)據(jù)存入寄存器，當計數(shù)器的計數(shù)值與寄存器中的值匹配后，計數(shù)器會在下一個時鐘周期清零計時器，重新計數(shù)。從而達到改變輸出PWM波的占空比的目的。下位機程序流程圖如圖5所示。

圖5 下位機程序流程圖

■ 3.3 監(jiān)控畫面組態(tài)

為了更好地實現(xiàn)人機交互，本文設(shè)計了基于Qt[7]框架的懸浮小球裝置人機交互軟件，該軟件實現(xiàn)了浮球位置的監(jiān)控、繪制、數(shù)據(jù)保存、HSV閾值[8]調(diào)節(jié)、小球高度設(shè)定等功能。其中，PID參數(shù)、HSV閾值數(shù)據(jù)、曲線數(shù)據(jù)都將存入SQLite數(shù)據(jù)庫中，并且曲線圖片可以通過點擊“保存圖片”按鈕存入本地，如圖6所示。

圖6 人機界面

在人機交互界面中能夠進行較為人性化的操作，操作者只需要在界面中調(diào)節(jié)參數(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)人與軟件之間的信息交互，達到對系統(tǒng)的監(jiān)視和控制的目的。

4 系統(tǒng)測試

在上位機將小球高度值設(shè)定為41.6cm和31.2cm，分 別 設(shè) 置PID參 數(shù) 為P=1.5，I=0.04，D=30和P=3，I=0.04，D=30，進行位置控制實驗。

系統(tǒng)的計算結(jié)果平均誤差小于0.05cm，最大誤差不超過0.6cm，實驗結(jié)果表明：小球懸浮實驗裝置總體具有較好的穩(wěn)定性，滿足控制要求。

在實驗中小球的高度控制會受到系統(tǒng)本身以及外界干擾的影響，因此需要對小球的穩(wěn)定性進行分析。當小球進入穩(wěn)態(tài)后，由于受到不可控的干擾影響，小球高度會產(chǎn)生微小的波動。每次實驗都將小球設(shè)定在不同的高度，當小球進入穩(wěn)態(tài)后對平均誤差和最大誤差進行分析，計算方法如下：

式中：avee是小球進入穩(wěn)態(tài)后的平均誤差；maxe是小球進入穩(wěn)態(tài)后的最大誤差；a是小球進入穩(wěn)態(tài)前所采樣點的個數(shù)；in是第i個采樣點所對應(yīng)的小球高度值，setn小球設(shè)定的高度位置。

多次實驗后，在不同的設(shè)定高度下，小球達到穩(wěn)態(tài)后所產(chǎn)生的位置誤差，如表1所示。

表1 位置誤差 單位cm

實驗結(jié)果表明：小球懸浮實驗裝置總體具有較好的穩(wěn)定性，在設(shè)定高度不同的情況下，其穩(wěn)定性也不同。在高度設(shè)定在160cm時穩(wěn)定性最好，平均誤差只有0.03mm，最大誤差為0.52cm。

本文同樣對系統(tǒng)的跟隨性和快速性進行了測試，分別把小球設(shè)定值設(shè)置為余弦和方波曲線，并繪制出跟隨曲線。

通過測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的小球懸浮裝置具有很好的跟隨性，能夠快速、準確地跟隨位置設(shè)定曲線。

5 結(jié)論

本文依據(jù)小球懸浮裝置控制要求，利用Qt框架、OpenCV計算機視覺庫、Arduino微機等，設(shè)計了小球懸浮控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)搭建簡單、運行穩(wěn)定、數(shù)據(jù)存儲方便、操作簡單、人機交互界面簡潔明了，可以實現(xiàn)階躍、余弦、方波曲線的跟隨實驗，能夠滿足PID實驗課程的需求。