2017年全国大学生电子设计竞赛滚球控制设计报告

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摘要： 本设计是以STM32单片机为核心、采用视觉检测技术的的滚球控制系统，
! C% e; P, M0 |  c) F实现对小球在平板滚动的精确控制功能。本设计基本模块包括mcu、摄像头、
) P1 O' s, @$ m5 z/ f6 P* E显示屏、机械平台、按键输入，其中MCU即STM32 F429开发板，摄像头采用
OV2640，显示屏选择7 寸TFT触摸屏。通过摄像头获得图像数据，分析小球位
1 @# E; @. n* Y0 {; W; Y2 U4 u置来控制平板倾斜，达到控制小球的目的。

) y. e( }2 l7 f' {7 m7 e6 g题目要求我们在3cm直径的圆内稳定2cm左右的小球，精度很高。本实验
首要问题就是要解决获取小球位置的难题。为此，我们采用摄像头采集数据，
/ s; M: e5 b1 t单片机分析小球位置，与目标位置相比获得控制输入量，控制平板机械结构运
动。
8 s" c: G6 B9 I1 F1 r二系统方案设计
  d$ f1 I0 `/ ~1 平板控制方案
方案一：推杆电机上下推动，这种方案材料易得，平板稳定，但是无法控
制行程，甚至需要mpu6050加入第二个控制环。
$ g! K+ a! M/ L. @) y: i方案二：步进电机+丝杆，有现成器材，行程可控，速度可调，容易实现
+ Z9 P5 N+ y% K1 x- L3 YPID。但机械结构难以组装。
% x6 L& H% D0 M方案三：舵机，角度与占空比成线性关系，不存在失步，力矩大。
在可行性与精确度指标上比较过后，决定采用方案三。
# ], ?5 M9 T/ d$ k6 l9 C2 位置采集方案
# R( S& z: t# P% j! `  z* P方案一：在木板X与Y边缘分布大量光电收发二极管，为了实现题目要求
( ~- `, n! s0 P6 K3cm以内的定位，每侧需要60/3=20 个。难度低，但需要大量IO 口，精度也很
+ n2 d- [: \9 A# H不理想。
1 H: i. e2 p9 d4 [4 M* C方案二：摄像头采集数据，精度高，大量DMA中断操作使得PWM很不精确，
  t; Q2 q; O0 J  Q导致舵机不稳定。
经过讨论，我们决定使用方案二。
  n( P/ g/ t& k  g% x0 _5 V3 小球材料方案
3 ^9 n& }+ v: w6 J; o" H6 S8 L方案一：木球，重量轻，有利于快速反应。但是不太圆
方案二：铁球，惯性大，加速度慢，有利于稳定。
方案三：选用RoboMaster 比赛的子弹。此圆球质量适中，漫反射材料有利
于小球像素提取。但是不容易获取。
多次实验并比较之后，我们采用方案二。
# g! {( \& A  @: K( q三理论分析与计算
/ R! s/ y' }% Z- i1 _
( P" i- {3 h, @& Z2 ?, h' V/ g1 小球位置的分析与计算
. G+ b' B' |. |8 xOV2640是高像素的cmos摄像头，但现有模块中没有FIFO，存取速度极大
影响了主程序运行，因此采用DMA不经CPU传送数据，配合STM32F4系列特有
的DCMI，节省运算资源。小球的质心有多种方法计算。由于板上只有一个小球，
采用霍夫圆变换消耗过多运算资源得不偿失；获取小球上下左右四顶点求平均
' V/ Y4 l9 t! P* A# k! |1 l$ ?方法很简单，精度足够；本设计中采用小球坐标相加求平均，即质心。对于图
* K3 o7 @2 R3 |' `像中的噪点，通过检测两个连续的像素点，来粗略判断是否是小球。
我们采用180 个像素点来显示Y轴坐标值，误差60cm/180=3.33mm。小球
9 F% L- n1 O# s) ^1 z5 }2cm，在圆心处距离圆边界有5mm，因此误差可满足精度要求，但对控制要求较
高。
2 控制算法分析
2 O8 D* g* |7 I3 _' e平板倾斜角与舵机转角成正比，而舵机转角与占空比成正比。即控制倾斜
" m, q$ {) L4 A. `7 u3 g# ?角度仅需设定占空比。

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sherry2020

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