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，
. X! U% c2 F7 }& L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、
& T: _: _9 @. G) W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
1 m  ]1 B6 [6 j" g+ D7 tOV2640，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
5 Q; p' z5 o8 X7 M( w- c置来控制平板倾斜，达到控制小球的目的。
4 F1 b; h5 V- p" R  e& O0 ?
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
) R# H0 }  T+ F7 K' V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，
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。
# k! j, |3 g1 A. P- F二系统方案设计
1 平板控制方案
9 {. D$ [- H- O! m. R  h" q. A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
3 K* K! k) |' s9 d8 OPID。但机械结构难以组装。
+ o; u, b( X( e) Z# ^) a8 Z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。
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
! x) \3 C8 j/ f1 N$ R+ D0 I- }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
3 S* b9 Q3 o" I, `3 s2 n不理想。
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，
5 u( \1 d+ d, |0 t! e% G) X" q导致舵机不稳定。
经过讨论，我们决定使用方案二。
! p; y! o; d# z  @& A* w$ e3 小球材料方案
7 J* I7 H! l- r" d9 R方案一：木球，重量轻，有利于快速反应。但是不太圆
" X- G% C) |* Z- A. D" b# ]- u8 u% ?+ J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。
- D. w& A' E4 M* T* d/ ~; R$ B三理论分析与计算

1 小球位置的分析与计算
5 W1 ]* j, |6 o. M: SOV2640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
4 D# |% j, X, ?: d& ?6 G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
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。
$ k6 \# J: k2 P* j8 v$ `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
# o0 |* t" q9 P4 Y1 x2cm，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
9 `: |4 M8 p% y) X; C高。
; m. t$ d6 P1 I  G" H% v2 控制算法分析
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
3 Y! s, b4 h3 O9 c, b: p角度仅需设定占空比。

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sherry2020

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