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，
" @, m& e" S; Q) t; Q) N3 z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、
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
置来控制平板倾斜，达到控制小球的目的。
  N' m0 E# v6 H/ G* f
! g! i- u: W3 `7 ~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
3 `. V: S5 ~, C& A+ @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，
% f$ S- j, h; @( b% L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
9 }5 i( W# Z$ p& y0 j! K* O2 k动。
. o: K5 E% S7 e, D# D二系统方案设计
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。
3 h' J$ D! h* ]7 n( s# v% N$ B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。
/ M1 i) G% Z* V! m( m3 q$ t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
. l$ k; B$ x2 u/ Q$ i2 I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
/ F! `1 F9 F2 u& l3cm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。
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，
) H  `0 F; X# V- `导致舵机不稳定。
" U! t+ W! g5 G+ L经过讨论，我们决定使用方案二。
/ K8 `3 y/ }8 }3 Z3 小球材料方案
8 Y9 {% _3 T- e8 J* S: |$ ~" h6 y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
2 J5 Y+ E( G' S* U1 C于小球像素提取。但是不容易获取。
9 i+ u2 P* ]$ Q; x! K) \* c多次实验并比较之后，我们采用方案二。
9 L* Y# F5 _' ^5 ]- x三理论分析与计算
* j  F  _! b* S3 g
" C! R+ t( P$ A' e. \# }1 小球位置的分析与计算
& f6 y4 D9 c7 ]) ^! lOV2640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
9 S  V+ |. K6 l3 {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
9 V* C3 n# _2 D) q$ Q  Y: m  e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
8 q6 _1 x, z9 T& l0 \0 H  B$ w/ f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
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 T, ~/ A  Z" O, C9 K* u2 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
角度仅需设定占空比。
. w6 `  Z' O: _, W; q/ x) a: m
% X8 Q7 ?/ T1 [+ n* I% u3 q1 e( n

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sherry2020

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