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，
2 e8 _; Z/ @& ]( L7 W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、
! d! {( f% ]5 T# G3 x: r* t  ?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
0 F2 `6 E+ n3 QOV2640，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
置来控制平板倾斜，达到控制小球的目的。
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# F& `5 D. ~3 v! S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
5 X: k  G  d  |( ]2 g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，
! k/ ~  Y( R8 p+ p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。
二系统方案设计
7 Y4 ?3 T+ C7 m3 n0 `$ L1 平板控制方案
8 z. ~* n  E  f2 h7 T6 _( H+ y7 w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。
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
PID。但机械结构难以组装。
# A6 e9 H8 S- s* G) i方案三：舵机，角度与占空比成线性关系，不存在失步，力矩大。
8 Q  _, E. G7 |' B在可行性与精确度指标上比较过后，决定采用方案三。
2 位置采集方案
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
3cm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
不理想。
" E, H' M- r! Y4 L1 L* `% {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，
& y7 p8 o6 Z* ]- R导致舵机不稳定。
经过讨论，我们决定使用方案二。
* r, x: C1 Q" Q4 [8 w# k3 小球材料方案
% ~9 f% q! Z# [2 n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。
. A  s- G! o6 ]2 D多次实验并比较之后，我们采用方案二。
三理论分析与计算

1 小球位置的分析与计算
OV2640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
' u, b1 h2 ~! G, E1 o/ H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
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
% H, u4 f2 L# e7 B& L3 R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。
2 c0 |6 p7 [; ]& J; s9 |# P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
" f' n# d2 r; n/ w2cm，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
7 y0 I* I1 _$ p6 F高。
: `* a6 U8 P3 ^; o4 W" k2 控制算法分析
: }" B5 g/ W( m. \6 h& I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
角度仅需设定占空比。

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