滚球控制系统 摘要 该滚球系统由 Kinetis―K60单片机控制模块、位置采集模块、板球模块、人机交互模块、电源模块以及板球机械结构组成的闭环控制系统。它由OV7620摄像头进行滚球位置采集，单片机对摄像头输入信息进行处理，用位置式PID算法进行运算，输出脉冲控制电机驱动为SH-20403驱动的42BYG250A电机转动，使滑轮缠绕吊线，改变底板所受吊线的拉力，进而控制地板倾斜让滚球到达指定位置，用人机交互模块中的按键控制与题目相应程序的运行。在该滚球系统中，滚球可在规定时间内在不经过非指定区域条件下到达指定区域，并可以在指定区域内停留规定时间，完成了大赛本科B组基本要求。

关键字：Kinetis―K60单片机；OV7620摄像头；42BYG250a电机；SH-20403驱动；位置式PID算法；闭环系统 1

一.系统方案 滚球控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、位置采集模块、板球模块、人机交互模块以及板球机械结构。系统通过位置采集模块时刻采集滚球位置信息，将信息输入给单片机控制模块，单片机对输入的信息进行处理，通控制脉冲发生器，通过一定方法让底板发生倾斜,控制滚球运动。人机交互模块中的按键选择程序运行。

图1 系统结构图 1.板球模块方案的选择与论证

方案一：将推杆电机作为支撑放于板下，通过推杆电机的推动使底板发生倾斜。 方案二：将两个42byg250a电机固定到顶板，在上面捆绑上吊线，经过顶板滑轮固定到底板，使底板悬空，通过电机的转动拉动吊线使底板发生倾斜。 两方案比较之后我们选择方案二为滚球控制系统方案。两方案比较如表一所示表1 板球模块方案比较

方案一 优势 抗外力自然因素干扰强，结构不复杂，很经典的滚球控制方式资料便于查找。

劣势 推杆电机在推板过程中会滑动产生相对位移，推杆电机反应慢，每次电机运行反转方向的误差会累计。

方案二 优势 42byg250a电机反应快，电机运行反转方向时延时小，误差可以忽略，对应算法控制编写较容易，结构简单。

劣势 底板靠四吊绳悬挂，容易产生晃动，抗干扰能力较差。

位置采集模块 单片机系统 板球模块

人机交互模块

电源模块 2

2.滚球位置采集方案的选择与论证 采集滚球外设有两种选择，一是触摸屏，二是摄像头。由于使用触摸屏有功耗大，灵敏度较低，易损坏，价格高、滚球轨迹不直观等缺点。我们决定用摄像头作为滚球位置的测量外设。使用摄像头有两种方案：OV7620，OV7670。滚球和底板颜色差距大，我们只关心图像的灰度值，并不是需要他们的彩色值。所以我们选择OV7620摄像头做为滚球位置采集外设。两种方案特点如下： 表2 OV7620，OV7670特点

特点

方案一：OV7620 默认输出RGB彩色图像。

方案二：OV7670 输出的是灰度值Y

3.控制算法的选择 方案一：采用模糊控制算法模糊控制是通过计算机 完成人们用自然语言所描述的控制活动。 方案二：采用PID算法，按比例、积分、微分的函数关系,进行运算,将其运算结果用以输出控制。 根据两种方案对比,题目要求和实际情况，我们选择PID算法作为控制算法.方案对比如表三： 表3 模糊算法和PID算法比较 方案一 优点 不需要事先知道对象的数学模型,系统响应快、超调小、过渡过程时间短。 缺点 稳态精度不高，需要大量计算，运算复杂。 方案二 优点 计算量小，运算简单。 缺点 容易产生超调。

二.系统理论分析与计算 1.滚球位置的测量与计算 3

选择和底板颜色相差大的滚球，通过摄像头OV7620采集图像，OV7620把板

和球的亮暗程度转化成像素的灰度值，并通过数据总线传送给单片机 ，处理变成二值图像，单片机开始对二值图像像素点进行扫描，在图片中寻找到滚球，并用坐标表达出滚球的位置。OV7620不断的向单片机传输灰度图像，可以时刻得到滚球位置。 2.底板倾斜控制分析

板球采集模块用两个42BYG250A步进电机及SH-20403做驱动系统。位置采集模块采集滚球当前位置，单片机处理滚球当前位置信息调节输出脉冲，控制两只42BYG250A步进电机，从而实现对底板倾斜控制。 3.算法分析

本系统采用位置式PID 算法来控制步进电机转动的速度。电机开始工作后，位置采集模块不断采集当前滚球所在位置，并与之前的滚球所在位置相比较，使得底板倾斜逐渐变化。PID 算法控制器由滚球位置误差比例P、滚球位置误差积分I和滚球位置误差微分D组成。 其输入 e (k）与输出 U (k）的关系为： u(k)=Kp*e(k) +Ki*∑e(i)+Kd*[e(k)-e(k-1)] （式1）

三. 电路与程序设计 摄像头不断采集滚球位置信息，传送到单片机处理，将处理好的位置信息传输到PID算法中，利用PID算法控制电机，来完成目的。总流程图如图二所示。

开始位置采集提取位置信息传输到单片机送往PID算法是否达到设定目标

向电机传送脉冲底板倾斜角度改变小球位置发生变化

否是返回

图2 总流程图 1.滚球位置采集处理设计

摄像头将采集的灰度图像传输到单片机中，单片机将图像处理为二值图

像，通过隔行逐个像素点扫描来确定滚球位置，并将位置信息存在数组中传输给控制算法。流程图如图三所示。 4

开始摄像头采集图像单片机处理成二值图像隔行扫描像素点

判断是否为小球确定小球横纵坐标传送给控制算法结束

是

否

图3 滚球位置采集处理流程图 2.PID算法设计

使用位置式PID算法。该算法需要读取定值和输入值，计算两值偏差，根据位置式PID算法公式算出U（k），存储U（k），将存储数据地址右移以便存取新的当前输入值，然后返回最初步骤。算法流程图如图四所示。

开始读取给定值读取输入值计算偏差

计算：u(k)=Kp*e(k) +Ki*∑e(i)+Kd*[e(k)-e(k-1)]

存储数据e（k-1）→e（k-2）

e（k）→e（k-1）结束

图4 PID算法流程图 四. 系统测试 1.测试仪器 秒表，高精度钢板尺，自制区域图纸 2.测试结果 1) 将滚球放置在区域2，测量滚球在区域内停留的时间 表4 题目一测试表 第一次 第二次 第三次 停留时间（s） 1 3 10

2) 控制滚球从区域1进入区域5，测量滚球到达区域5时间，滚球投影与区域5的交叠率和滚球到区域5的时间以及在区域5停留时间。 5

表5 题目二测试表 五. 设计总结 该系统完成了比赛本科B组题目的基本要求的一，二。因时间问题未能完成其他基本要求和扩展部分。 （一）已达到要求的系统制作过程： 1．硬件方面 1) 选择题目，根据网上资料以及实际情况讨论出大体方案，并根据方案搭建物理模型。 2) 调试外设。 ① 调试电机 测量脉冲个数与步进电机电机运行关。 ② 调试摄像头 根据摄像头采集图像效果，根据效果调整摄像头位置，减小外界光线因素影响，使摄像头采集到图片最佳。 3) 整体测试 2．软件方面 1）组建工程模板。 2）编写外设驱动，以便调试外设。 3）编写控制程序。 3.总体测试 不断测试程序，调试程序中的重要参数，尽可能使系统稳定，在测试过程中，用一定方法将把硬件因摩擦力，惯性等因素造成的误差尽可能缩小，编写软件来消除硬件无法消除的误差。 （二）没有达到要求部分 对于基本要求三，小球总是在从区域4到区域5过程中偏离，没有达到预

第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 到达区域5时间（s） 1 2 3 3.5 4

与区域5交叠率（%） 0 0 20 80 100 在区域5停留时间（s） 0.5 0.5 1.5 5 5 6 期的效果。如小球到达第一个设定目标后，将底板倾斜程度降低，经调试应能在规定时间内实现基本要求三。扩展要求二，可以通过矩阵键盘实现。每区域坐标对应一个按键，当按键按下，坐标将传输到PID算法中做设定值。 （三）在制作时出现的问题及解决方案 1.无法确定滚球的位置 将灰度图像处理成二值图像之后，有很多噪点，对图像进行滤波处理后噪点并没有完全过滤掉，依旧影响滚球位置的检测。经过仔细观察，发现噪点来源于底板没有覆盖的地面以及地面的反光。最后将摄像头传入图像进行裁剪，只剩下底板图像信息，在合适的位置安装光源，使问题得到了解决。 2.滚球滚离底板 在运行测试程序时，滚球总是滚离底板。一方面原因是初始位置不水平，另一方面原因是因为底板倾斜角度过大，滚球因为惯性很难在期望的时间内停止。最后解决方案为将初始位置手动调至水平，改写算法参数减缓底板倾斜角度变化，将倾斜角速度降低。但问题没有得到实质性解决，使得基本要求三的功能没有实现。

参考文献 [1]Kenneth.R.Castlemen.数字图像处理.北京：电子工业出版社，1998,170~187 [2]李丽萍．图像去噪方法研究[D].湖北：长江大学，2012． [3]刘宝廷,程树康.步进电动机及其驱动控制系统.黑龙江：哈尔滨工业大学出版社,1997