基于PID算法板球控制系统的设计

董尧尧+王大庆+陈瑶+蔡文瑶+潘文惠

摘要

本控制系统由STM32单片机控制模块、舵机执行模块、图像采集模块、图像处理模块、平板和球以及板球机械结构组成的闭环控制系统。0V7725负责采集小球的位置信息，单片机处理图像位置数据后通过PID精确算法调节舵机以控制平板运动，从而达到控制小球运动轨迹的目的。本系统实现了小球仅在平板自身角度调整控制下快速寻位、恢复静止的功能，并能准确按照规定路线到达目标位置，且受外力影响后能够在5秒内恢复板球平衡状态，具有很好的适应性。另外，本系统小球及平板位置图像可通过液晶显示，智能性好，反应速度快。

【关键词】STM32 0V7725 PID 算法 板球系统

1机械结构方案

本控制系统主要包括单片机控制模块、舵机执行模块、图像采集模块、图像处理模块、平板和球以及板球机械结构组成。平板采用铝镁合金材质，具有强度高，质量轻等优点。平板由万向节连接碳杆再连接舵机组成。系统采用MG995舵机，其金属外壳能提供较好的散热，更牢固的固定位置，让舵机内的电机运行在更高功率下，以提供更高的扭矩输出。金属齿轮强度高，能提供13KG的扭矩。位于平板最上方的图像采集模块不断采集小球和平板的图像，运用图像处理算法对提取的图像进行处理，获取小球的坐标位置信息，通过坐标变换转换成小球在平板上的位置信息，将该位置信息返回单片机控制模块。图像采集模块采用OV7725，一个高集成度的CMOSCamera Chip传感器，在单芯片上提供了VGA图像处理器的全部功能。OV7725内部集成了对图像传感器的完善控制，包括曝光控制、伽马校正、白平衡、色彩饱和以及色调控制，可硬件二值化。单片机控制系统通过处理数据后控制PWM波占空比控制舵机转速及转动角度，不断调整圆盘的倾角，从而实现对小球的控制。单片机控制系统采用STM32F407ZET6，其内核为ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率为72MHz，有112个快速I/O端口，11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有多达4个用于输入捕获、输出比较、PWM、脉冲计数的通道和增量编码。该芯片运行速度快，可操控性强。本系统结构框图如图1所示，板球控制模型如图2所示。

2小球运动检测及处理方案

OV7725传感器的输出采用VGA。一个像素用16位的数据（RGB565）表示，而OV7725的数据总线宽度最多可设置为10位，故采用了8位的数据宽度（D2-D9）输出图像信息。对OV7725内寄存器的配置接口采用SCCB总线。利用传感器读入数据，即读取底板上像素点的颜色并进行识别。由于RGB格式的颜色数据的效果不明显，所以将其转换为HSL格式数据。首先遍历寻找腐蚀中心，然后在之前腐蚀中心点处进行迭代并向外寻找新的腐蚀中心。腐蚀算法从该点开始分别向上下左右四个方向进行读点，若点的颜色符合条件则往外读，四个方向都结束后得到四个边缘点的坐标，记左边缘点的x轴坐标为left，右边缘点的x轴坐标为right，上边缘点的y轴坐标为up，下边缘点的y轴坐标为bottom，那么坐标（（right-left）/2，（up-bottom）/2）即為新的腐蚀中心，从而确定小球的位置。

3执行机构控制算法与驱动

本系统采用PID算法来控制舵机转动的速度及角度。舵机开始工作后，图像采集模块不断采集当前小球位置坐标状态，并与之前的状态比较，使得小球的运动状态逐渐趋向于平稳。PID算法控制器由平板转动角度比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。

平板转动角度比例P：对舵机角速度进行比例调整，即对平板转动角度调整。比例越大，调节速度越快。但不能过大，过大可能造成舵机因工作状态突变而使平板不稳定。

角度误差积分I：使系统消除稳态误差，提高无差度。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。本系统追求更快更稳完成对小球的控制，对积分调节的需要就非常弱。即保证在不需要时系统不会受到影响。

角度微分D：微分作用反映平板角度的变化率，即角速度。具有预见性，能预见偏差变化的趋势因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，己被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，减少调节时间。

4小结

使用了基于PID算法的板球系统控制，可以迅速提高单片机运行速度，使得板球系统可以快速寻迹、稳定。

参考文献

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