基于視覺檢測的板球系統控制研究

李愛蓮 吳何琛

(內蒙古科技大學，內蒙古 包頭014010)

0 引言

板球系統是一個典型的多變量、非線性、強耦合的控制系統，是球桿系統的二維擴展[1-2]。板球系統是以圖像作為反饋信息，通過轉動平板的角度來控制小球運動軌跡的實驗研究設備，適用于自動控制算法、機器視覺、機器人軌跡規劃等領域研究。作為自動化領域的一個非常重要的基礎研究項目，它不但有助于學生更好地的理解所學到的控制理論，也為后續研究打下了基礎，提供了非常好的實驗平臺。

本文主要研究不同的視覺檢測方法在板球系統的應用效果，選擇了以最大值法進行灰度化處理，重新設計了圖像處理的過程，從而提高了系統的快速性。

圖3 平均值法二值化

1 板球系統的視覺檢測

針對板球系統攝像頭采集的圖像，首先要進行灰度化處理，將彩色圖像轉換為灰度圖像，以便減少圖像的原始數據量。常用的灰度化方法包括平均值法、加權平均法和最大值法，原系統采用平均值法。平均值法和最大值法的處理結果分別如圖1和圖2所示。

圖1 平均值法

圖2 最大值法

圖4 最大值法二值化

通過兩種方法的對比可知，采用平均值法能夠很清晰地顯示小球和坐標軸，缺點是后續步驟非常繁瑣。和平均值法相比，采用最大值法圖像數據量只有一半，而且無需濾波和邊緣檢測，但坐標軸不明顯，無法對小球位置進行計算。

本文采用最大值法，以攝像頭所采集圖像中心點作為坐標原點，重新建立坐標軸，查找小球質心位置的程序如下所示：

2 運行結果

以內蒙古科技大學智能控制實驗室的視覺板球系統作為實驗平臺，讓小球分別以圓形軌道和矩形軌道的運動軌跡對兩種方法進行比較，圖5和圖7是原系統采用平均值法的運動軌跡圖，圖6和圖8是采用最大值法的運動軌跡圖。

圖5 平均值法圓形軌道

通過以上四圖，可以對小球的預期運動軌跡和實際運動軌跡相比較。和圖5以及圖7相比而言，圖6以及圖8中小球的實際位置和預期位置更為接近，說明板球系統的快速性更好。

圖6 最大值法圓形軌道

圖7 平均值法矩形軌道

圖8 最大值法矩形軌道

3 結論

通過以上試驗可以得知，采用最大值對板球系統攝像頭采集的圖像進行灰度化處理，不僅數據量減少一半，還省略了濾波和邊緣檢測這兩步，因而大幅度提高了計算機的運行速度，使板球系統的快速性有所提高。

［1］Hauser J,Sastry S,Kokotovic P.Nonlinear Control Via Approximate Input-output Linearization：the Ball and Beam Example[J].IEEE Transactions on Automatic Control，1992，37（3）：392－398．

［2］HUMUSOFT Ltd.Use's manual for CE151-Ball&Plate Apparatus[Z]．1993．