（B題）滾球控制系統(tǒng)摘要滾球控制系統(tǒng)是一個(gè)經(jīng)典多變量，非線性欠驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，其目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)小球鎮(zhèn)靜控制和軌跡跟蹤。本系統(tǒng)利用攝像頭采集信息，經(jīng)過攝像頭硬件二值化得到小球坐標(biāo)，程序設(shè)定小球運(yùn)動(dòng)軌跡。采取增量式PID算法，百分比步驟進(jìn)行快速響應(yīng)，積分步驟實(shí)現(xiàn)無靜差，微分步驟減小超調(diào)，加緊動(dòng)態(tài)響應(yīng)。從而使系統(tǒng)含有良好性能，能很好地實(shí)現(xiàn)自由擺運(yùn)動(dòng)、快速制動(dòng)靜止、畫圓、按指定方向偏移，含有很好穩(wěn)定性。本系統(tǒng)經(jīng)過大量調(diào)試PID參數(shù)，最終能夠?qū)崿F(xiàn)軌跡路徑運(yùn)動(dòng)，靜態(tài)平衡等題目?jī)?nèi)容。關(guān)鍵詞：增量式PID算法，圖像處理，PWM，硬件二值化目錄HYPERLINK一、系統(tǒng)方案 1HYPERLINK1.1系統(tǒng)基礎(chǔ)方案 1HYPERLINK1.1.1控制方案設(shè)計(jì) 1HYPERLINK1.1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 1HYPERLINK1.2方案選擇和論證.. 1HYPERLINK1.2.1單片機(jī)選擇 11.2.2攝像頭選擇2HYPERLINK二、系統(tǒng)理論分析和計(jì)算 2HYPERLINK2.1攝像頭檢測(cè)小球算法分析 2HYPERLINK2.2增量式PID控制算法分析 2HYPERLINK三、電路和程序設(shè)計(jì) 3HYPERLINK3.1電路設(shè)計(jì) 3HYPERLINK3.2程序設(shè)計(jì) 4HYPERLINK3.2.1程序功效描述和設(shè)計(jì)思緒 4HYPERLINK3.2.2程序步驟圖 4HYPERLINK四、測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果 5HYPERLINK4.1測(cè)試方案 5HYPERLINK4.2測(cè)試條件和儀器 5HYPERLINK4.3測(cè)試結(jié)果及分析 5HYPERLINK（1）測(cè)試結(jié)果 5HYPERLINK（2）測(cè)試分析和結(jié)論 6HYPERLINK五、結(jié)論和心得 6滾球控制系統(tǒng)（B題）【本科組】系統(tǒng)方案1.1系統(tǒng)基礎(chǔ)方案1.1.1控制方案設(shè)計(jì)依據(jù)題目要求，基礎(chǔ)需要LCD顯示器，矩陣鍵盤，攝像頭和舵機(jī)等外設(shè)，用鍵盤輸入指令選擇系統(tǒng)需要實(shí)施相關(guān)程序。攝像頭用于圖像采集，依據(jù)采集數(shù)據(jù)來計(jì)算小球目前位置和目標(biāo)位置距離，經(jīng)過單片機(jī)，利用PID算法進(jìn)行控制，使小球朝著要求目標(biāo)位置運(yùn)動(dòng)，同時(shí)LCD顯示經(jīng)過處理運(yùn)動(dòng)畫面。圖1-11.1.2機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)因?yàn)槠桨暹呴L(zhǎng)（65cm）較長(zhǎng)，且要求攝像頭要俯拍平板全畫面，所以要求裝置底座結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，支撐攝像頭支架穩(wěn)定不晃動(dòng)。平板材料方面，選擇輕便硬質(zhì)塑料泡沫材料和舵機(jī)傳動(dòng)軸進(jìn)行剛性連接，既能確保連接處穩(wěn)定，又可達(dá)成靈活目標(biāo)。電機(jī)選擇方面，既要確保推力夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)題目基礎(chǔ)要求中軌跡移動(dòng)、快速制動(dòng)靜止。評(píng)判中心作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，x軸、y軸各放置一個(gè)伺服電機(jī)，利用伺服電機(jī)控制x、y軸可實(shí)現(xiàn)對(duì)平板各個(gè)方向傾斜控制。1.2各部分方案選擇和論證1.2.1單片機(jī)選擇采取K60單片機(jī)。操作簡(jiǎn)單，帶有配套LCD顯示器，可正確顯示出圖像和小球坐標(biāo)信息。而且開發(fā)環(huán)境很輕易搭建，2

路PWM控制兩個(gè)舵機(jī)

，單片機(jī)可控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小球移動(dòng)。符合題目所需控制要求。1.2.2攝像頭選擇方案一：攝像頭選擇是OV7725型能夠硬件二值化鷹眼攝像頭，像素30萬，傳輸速率達(dá)成60fps，視場(chǎng)角達(dá)成63°，擁有很好低照度。能夠滿足本系統(tǒng)所需。方案二：選擇ov7670圖像傳感器。體積小，工作電壓低，基礎(chǔ)和ov7725相同。不過視場(chǎng)角只有23°，因?yàn)榘遄舆呴L(zhǎng)較大，視場(chǎng)角小話需要把攝像頭抬高，這么影響模型穩(wěn)定。而且ov7670不能進(jìn)行硬件二值化處理攝像頭采集圖像。綜合考慮，為了方便實(shí)現(xiàn)功效，選擇方案二。系統(tǒng)理論分析2.1攝像頭檢測(cè)小球算法分析系統(tǒng)使用白色泡沫板材，黑色硬質(zhì)小球，攝像頭采集圖像經(jīng)過硬件二值化：處理二值化圖像，黑為0，白為255.將0，255化圖像裝進(jìn)一個(gè)二維數(shù)組。進(jìn)行行掃描。進(jìn)行列掃描。假如為255，則分別將x，y坐標(biāo)輸出到兩個(gè)一維數(shù)組。該一維數(shù)組第一個(gè)和最終一個(gè)數(shù)組相加除以2，即為（x，y）坐標(biāo)。2.2增量式PID控制算法分析增量式PID控制將目前時(shí)刻控制量和上一時(shí)刻控制量做差，以差值為新控制量，是一個(gè)遞推式算法。增量式PID控制關(guān)鍵是經(jīng)過求出增量，將原先積分步驟累積作用進(jìn)行了替換，避免積分步驟占用大量計(jì)算性能和存放空間。增量式PID控制關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)為：①算式中不需要累加?？刂圃隽喀(k)確實(shí)定僅和最近3次采樣值相關(guān)，輕易經(jīng)過加權(quán)處理取得比很好控制效果；②計(jì)算機(jī)每次只輸出控制增量，即對(duì)應(yīng)實(shí)施機(jī)構(gòu)位置改變量，故機(jī)器發(fā)生故障時(shí)影響范圍小、不會(huì)嚴(yán)重影響生產(chǎn)過程；③手動(dòng)—自動(dòng)切換時(shí)沖擊小。當(dāng)控制從手動(dòng)向自動(dòng)切換時(shí)，能夠作到無擾動(dòng)切換。PID算法公式：I=Kip*Ts/Ti;

Ad=Kip*D/Ts;

Kip為百分比項(xiàng)系數(shù)；I為積分項(xiàng)系數(shù)；Ad為微分項(xiàng)系數(shù)：

Ti為積分時(shí)間常數(shù)；D為微分時(shí)間常數(shù)；Ts

為采樣周期常數(shù)：

上述公式深入推倒：

Au(k)=A*e(k)+Kb*e(k-1)+Kc*e(k-2);

A=Kip*(1+Ts／Ti+D/Ts)；

Kb=（-1）*(Kip)*(1+2Td/TS)；

Kc=Kip*(D/TS)；電路和程序設(shè)計(jì)3.1電路設(shè)計(jì)圖10按鍵模式選擇圖10按鍵模式選擇圖3-1電池充滿電7.2V左右，CPU和藍(lán)牙工作電壓為5V，攝像頭，LCD，撥碼開關(guān)工作電壓為3.3V。所以有7.2V轉(zhuǎn)5V和5V轉(zhuǎn)3.3V模塊。圖3-2PWM模塊一端接地一端接兩個(gè)舵機(jī)。藍(lán)牙，攝像頭，LCD，撥碼開關(guān)一端接地，一端接CPU。圖3-1電源電路設(shè)計(jì)圖圖3-2關(guān)鍵元件電路設(shè)計(jì)圖3.2程序設(shè)計(jì)3.2.1程序功效描述和設(shè)計(jì)思緒1、程序功效描述系統(tǒng)采取按鍵控制輸入指令，根據(jù)每一題要求設(shè)置對(duì)應(yīng)指令，系統(tǒng)會(huì)作出對(duì)應(yīng)反應(yīng)，數(shù)據(jù)會(huì)反饋到和單片機(jī)相連顯示器上。2、程序設(shè)計(jì)思緒基礎(chǔ)要求（1）經(jīng)過調(diào)試在伺服電機(jī)初始狀態(tài)時(shí)平板處于水平平衡狀態(tài)?；A(chǔ)要求（2）需要采取閉環(huán)控制算法，當(dāng)小球進(jìn)入圖像時(shí)，找到目標(biāo)坐標(biāo)，利用PID算法控制伺服電機(jī)傾斜平板使小球移動(dòng)。基礎(chǔ)要求（3）要采取閉環(huán)控制，需要計(jì)劃出小球行進(jìn)路線?；A(chǔ)要求（4）同（3）不過需要加緊伺服電機(jī)實(shí)施效率。3.2.2程序步驟圖1、主程序步驟圖圖11程序步驟圖2、PID算法框圖11程序步驟圖角度速度舵機(jī)角度速度舵機(jī)度速度改變度速度改變四、測(cè)試方案和測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案伺服電機(jī)帶動(dòng)平板使小球保持平衡，統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定過程需要時(shí)間和劇中心點(diǎn)偏差，測(cè)量6次。小球放置在平板區(qū)域1，開始運(yùn)動(dòng)到區(qū)域5，穩(wěn)定在區(qū)域5，統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定所需時(shí)間，統(tǒng)計(jì)平衡位置和區(qū)域5中心位誤差。（3）控制小球從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域4，在區(qū)域4停留不少于2秒；然后再進(jìn)入?yún)^(qū)域5，小球在區(qū)域5停留不少于2秒。統(tǒng)計(jì)完成所需時(shí)間和在區(qū)域4和區(qū)域5停留時(shí)間。（4）在30秒內(nèi)，控制小球從區(qū)域1進(jìn)入?yún)^(qū)域9，且在區(qū)域9停留不少于2秒。統(tǒng)計(jì)停留時(shí)間。4.2測(cè)試條件和儀器秒表、直尺。4.3測(cè)試結(jié)果及分析（1）測(cè)試結(jié)果表1 測(cè)試方案（1）第一次測(cè)試第二次測(cè)試第三次測(cè)試第四次測(cè)試第五次測(cè)試第六次測(cè)試時(shí)間/S17108522誤差/cm21.31.41.10.40.2表2 測(cè)試方案（2）過程時(shí)間(s)16141111誤差1.10.50.20.1表3 測(cè)試方案（3）完成所需時(shí)間2525221818區(qū)域4停留時(shí)間2.01.81.02.11.8區(qū)域5停留時(shí)間1.61.51.92.02.2表4 測(cè)試方案（4）完成所需時(shí)間（s）4032313026（2）測(cè)試分析和結(jié)論依據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，該滾球控制系統(tǒng)已能達(dá)成基礎(chǔ)部分全部要求和性能指標(biāo)，由此能夠得出以下結(jié)論：PID參數(shù)調(diào)試需要大量調(diào)試和試驗(yàn)，找到最適合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)組。假如少許試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能實(shí)現(xiàn)滾球系統(tǒng)正確控制，但經(jīng)過測(cè)試得到參數(shù)基礎(chǔ)上能夠滿足要求。五、結(jié)論和心得經(jīng)過幾天努力奮戰(zhàn)，從開始準(zhǔn)備到第一時(shí)間接到題目，一直全部全身心地投入比賽之中。即使嘗試過以前制作類似題目，不過真正進(jìn)入比賽還是有不一樣心情。在制作硬件時(shí)碰到了部分問題，時(shí)間很急，而且還沒有開始調(diào)試