1、1全 国 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛（B 题 ） 滚球控制系统2摘 要滚球控制系统是一种典型的多变量，非线性的欠驱动控制系统，其目的是为了实现小球的镇定控制与轨迹跟踪。本系统利用摄像头采集信息，经过摄像头硬件二值化得到小球的坐标，程序设定小球的运动轨迹。采用增量式 PID 算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、按指定方向偏移，具有很好的稳定性。本系统通过大量的调试 PID 参数，最终可以实现轨迹路径运动，静态平衡等题目内容。关键词：增量式 PID 算法，图像处理，PWM，硬件
2、二值化34目 录一、系统方案 11.1 系统基本方案 .11.1.1 控制方案设计 11.1.2 机械结构方案设计 11.2 方案选择与论证 .11.2.1 单片机的选择 .11.2.2 摄像头的选择.2二、 系统理论分析与计算 .22.1 摄像头检测小球算法的分析 22.2 增量式 PID 控制算法的分析 .2三、电路与程序设计 33.1 电路的设计 33.2 程序的设计 43.2.1 程序功能描述与设计思路 .43.2.2 程序流程图 .4四、测试方案与测试结果 54.1 测试方案 54.2 测试条件与仪器 54.3 测试结果及分析 5（1）测试结果 5（2）测试分析与结论 65五、结论与
3、心得 61滚球控制系统（B 题）【本科组】1、系统方案1.1 系统基本方案1.1.1 控制方案设计根据题目要求，基本需要 LCD 显示屏，矩阵键盘，摄像头以及舵机等外设，用键盘输入指令选择系统需要执行的相关程序。摄像头用于图像采集，根据采集的数据来计算小球当前位置和目标位置的距离，通过单片机，利用 PID 算法进行控制，使小球朝着要求的目标位置运动，同时 LCD 显示经过处理的运动画面。图 1-11.1.2 机械结构方案设计由于平板边长（65cm）较长，且要求摄像头要俯拍平板全画面，所以要求装置底座结构稳定，支撑摄像头支架稳定不晃动。平板材料方面，选用轻便的硬质塑料泡沫材料与舵机传动轴进行刚性
4、连接，既能保证连接处的稳定，又可达到灵活目的。电机选择方面，既要保证推力够大，能够实现题目基本要求中的轨迹移动、快速制动静止。2评判中心作为坐标系原点，x 轴、y 轴各放置一个伺服电机，利用伺服电机控制 x、y轴可实现对平板各个方向倾斜的控制。1.2 各部分方案选择与论证1.2.1 单片机的选择采用 K60 单片机。操作简单，带有配套的 LCD 显示屏，可精确显示出图像以及小球的坐标信息。并且开发环境非常容易搭建，2 路 PWM 控制两个舵机 ，单片机可控制舵机转动，从而实现小球的移动。符合题目所需的控制要求。1.2.2 摄像头的选择方案一：摄像头选择的是 OV7725 型可以硬件二值化的鹰眼
5、摄像头，像素 30 万，传输速率达到 60fps，视场角达到 63，拥有很好的低照度。可以满足本系统所需。方案二：选择 ov7670 图像传感器。体积小，工作电压低，基本与 ov7725 相同。但是视场角只有 23，由于板子边长较大，视场角小的话需要把摄像头抬高，这样影响模型的稳定。并且 ov7670 不能进行硬件二值化处理摄像头采集的图像。综合考虑，为了方便实现功能，选择方案二。2、系统理论分析2.1 摄像头检测小球算法的分析系统使用白色泡沫板材，黑色硬质小球，摄像头采集图像通过硬件二值化：（1）处理二值化图像，黑为 0，白为 255.（2）将 0，255 化的图像装进一个二维数组。（3）进
6、行行扫描。（4）进行列扫描。3（5）如果为 255，则分别将 x，y 坐标输出到两个一维数组。（6）该一维数组第一个和最后一个数组相加除以 2，即为（x，y）坐标。2.2 增量式 PID 控制算法的分析增量式 PID 控制将当前时刻的控制量和上一时刻的控制量做差，以差值为新的控制量，是一种递推式的算法。增量式 PID 控制主要是通过求出增量，将原先的积分环节的累积作用进行了替换，避免积分环节占用大量计算性能和存储空间。增量式 PID 控制的主要优点为：算式中不需要累加。控制增量 u(k)的确定仅与最近 3 次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；计算机每次只输出控制增量，即对应执
7、行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；手动 自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换 。PID 算法的公式：I=Kip*Ts/Ti; Ad=Kip*D/Ts; Kip 为比例项系数；I 为积分项系数；Ad 为微分项系数： Ti 为积分时间常数；D 为微分时间常数；Ts 为采样周期常数： 上述公式进一步推倒： Au(k)=A*e(k)+Kb*e(k-1)+Kc*e(k-2); A=Kip*(1+TsTi+D/Ts)； Kb=（-1）*(Kip)*(1+2Td/TS)； Kc=Kip*(D/TS)；43、电路与程序设计3.1 电路的设计如图 3
8、-1 电池充满电 7.2V 左右，CPU 和蓝牙工作电压为 5V，摄像头，LCD，拨码开关工作电压为 3.3V。因此有 7.2V 转 5V 和 5V 转 3.3V 模块。 如图 3-2PWM 模块一端接地一端接两个舵机。蓝牙，摄像头，LCD，拨码开关一端接地，一端接 CPU。 图 3-1 电源电路设计图图 3-2 主要元件电路设计图 3.2 程序的设计3.2.1 程序功能描述与设计思路1、程序功能描述系统采用按键控制输入指令，按照每一题的要求设置相应的指令，系统会作出相应的反应，数据会反馈到与单片机相连的显示屏上。图 10 按键模式选择52、程序设计思路基本要求（1）通过调试在伺服电机的初始状
9、态时平板处于水平平衡状态。基本要求（2）需要采用闭环控制算法，当小球进入图像时，找到目的坐标，利用 PID 算法控制伺服电机倾斜平板使小球移动。基本要求（3）要采用闭环控制，需要规划出小球行进路线。基本要求（4）同（3）但是需要加快伺服电机的执行效率。3.2.2 程序流程图1、主程序流程图 2、PID 算法框图图 11 程序流程图舵机 度速度改变角度速度6四、测试方案与测试结果4.1 测试方案（1）伺服电机带动平板使小球保持平衡，记录稳定过程需要的时间以及剧中心点的偏差，测量 6 次。（2）小球放置在平板区域 1，开始运动到区域 5，稳定在区域 5，记录稳定所需时间，记录平衡位置与区域 5 中
10、心位的误差。（3）控制小球从区域 1 进入区域 4，在区域 4 停留不少于 2 秒；然后再进入区域 5，小球在区域 5 停留不少于 2 秒。记录完成所需的时间以及在区域 4 和区域5 停留时间。（4）在 30 秒内，控制小球从区域 1 进入区域 9，且在区域 9 停留不少于 2 秒。记录停留时间。4.2 测试条件与仪器秒表、直尺。4.3 测试结果及分析（1）测试结果表1 测试方案（1）第一次测试 第二次测试 第三次测试 第四次测试 第五次测试 第六次测试时间/S 17 10 8 5 2 2误差/cm 2 1.3 1.4 1.1 0.4 0.2表2 测试方案（2）过程时间(s) 16 14 11
11、 11误差 1.1 0.5 0.2 0.17表3 测试方案（3）完成所需时间 25 25 22 18 18区域 4 停留时间 2.0 1.8 1.0 2.1 1.8区域 5 停留时间 1.6 1.5 1.9 2.0 2.2表4 测试方案（4）完成所需时间（s ） 40 32 31 30 26（2）测试分析与结论根据上述测试数据，该滚球控制系统已能达到基本部分全部要求和性能指标，由此可以得出以下结论：PID 参数调试需要大量的调试与实验，找到最适合运动状态的参数组。如果少量的实验数据并不能实现滚球系统的精确控制，但通过测试得到的参数基本上可以满足要求。五、结论与心得经过几天努力奋战，从开始准备到第一时间接到题目，一直都全身心地投入比赛之中。虽然尝试过以前的制作类似的题目，但是真正进入比赛还是有不一样的心情。在制作硬件时遇到了一些问题，时间很急，而且还没有开始调试，大家都感到很慌乱，心里没有底，甚至想到过放弃。但是静下心来，大家一起努力从新来过，虽然浪费了不少的时间，但是还是成功的完成了硬件的调试。有辛酸也有欣喜，每当取得一点点的进步，都会欣喜若狂。也许这次比赛我们不是最优秀的，但我们一定是最努力的。也许不能取得好成绩，但也不会有遗憾。至少努力了，奋斗了。当然还要感谢学校老师后勤工作支持，是我们能安心比赛，同时也感谢大赛组委会给了我们这次重要的机会锻炼自己。8
