基于PID算法板球控制系統(tǒng)的設(shè)計

董堯堯+王大慶+陳瑤+蔡文瑤+潘文惠

摘要

本控制系統(tǒng)由STM32單片機控制模塊、舵機執(zhí)行模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、平板和球以及板球機械結(jié)構(gòu)組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。0V7725負(fù)責(zé)采集小球的位置信息，單片機處理圖像位置數(shù)據(jù)后通過PID精確算法調(diào)節(jié)舵機以控制平板運動，從而達(dá)到控制小球運動軌跡的目的。本系統(tǒng)實現(xiàn)了小球僅在平板自身角度調(diào)整控制下快速尋位、恢復(fù)靜止的功能，并能準(zhǔn)確按照規(guī)定路線到達(dá)目標(biāo)位置，且受外力影響后能夠在5秒內(nèi)恢復(fù)板球平衡狀態(tài)，具有很好的適應(yīng)性。另外，本系統(tǒng)小球及平板位置圖像可通過液晶顯示，智能性好，反應(yīng)速度快。

【關(guān)鍵詞】STM32 0V7725 PID 算法 板球系統(tǒng)

1機械結(jié)構(gòu)方案

本控制系統(tǒng)主要包括單片機控制模塊、舵機執(zhí)行模塊、圖像采集模塊、圖像處理模塊、平板和球以及板球機械結(jié)構(gòu)組成。平板采用鋁鎂合金材質(zhì)，具有強度高，質(zhì)量輕等優(yōu)點。平板由萬向節(jié)連接碳桿再連接舵機組成。系統(tǒng)采用MG995舵機，其金屬外殼能提供較好的散熱，更牢固的固定位置，讓舵機內(nèi)的電機運行在更高功率下，以提供更高的扭矩輸出。金屬齒輪強度高，能提供13KG的扭矩。位于平板最上方的圖像采集模塊不斷采集小球和平板的圖像，運用圖像處理算法對提取的圖像進(jìn)行處理，獲取小球的坐標(biāo)位置信息，通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換成小球在平板上的位置信息，將該位置信息返回單片機控制模塊。圖像采集模塊采用OV7725，一個高集成度的CMOSCamera Chip傳感器，在單芯片上提供了VGA圖像處理器的全部功能。OV7725內(nèi)部集成了對圖像傳感器的完善控制，包括曝光控制、伽馬校正、白平衡、色彩飽和以及色調(diào)控制，可硬件二值化。單片機控制系統(tǒng)通過處理數(shù)據(jù)后控制PWM波占空比控制舵機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動角度，不斷調(diào)整圓盤的傾角，從而實現(xiàn)對小球的控制。單片機控制系統(tǒng)采用STM32F407ZET6，其內(nèi)核為ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作頻率為72MHz，有112個快速I/O端口，11個定時器：4個16位定時器，每個定時器有多達(dá)4個用于輸入捕獲、輸出比較、PWM、脈沖計數(shù)的通道和增量編碼。該芯片運行速度快，可操控性強。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，板球控制模型如圖2所示。

2小球運動檢測及處理方案

OV7725傳感器的輸出采用VGA。一個像素用16位的數(shù)據(jù)（RGB565）表示，而OV7725的數(shù)據(jù)總線寬度最多可設(shè)置為10位，故采用了8位的數(shù)據(jù)寬度（D2-D9）輸出圖像信息。對OV7725內(nèi)寄存器的配置接口采用SCCB總線。利用傳感器讀入數(shù)據(jù)，即讀取底板上像素點的顏色并進(jìn)行識別。由于RGB格式的顏色數(shù)據(jù)的效果不明顯，所以將其轉(zhuǎn)換為HSL格式數(shù)據(jù)。首先遍歷尋找腐蝕中心，然后在之前腐蝕中心點處進(jìn)行迭代并向外尋找新的腐蝕中心。腐蝕算法從該點開始分別向上下左右四個方向進(jìn)行讀點，若點的顏色符合條件則往外讀，四個方向都結(jié)束后得到四個邊緣點的坐標(biāo)，記左邊緣點的x軸坐標(biāo)為left，右邊緣點的x軸坐標(biāo)為right，上邊緣點的y軸坐標(biāo)為up，下邊緣點的y軸坐標(biāo)為bottom，那么坐標(biāo)（（right-left）/2，（up-bottom）/2）即為新的腐蝕中心，從而確定小球的位置。

3執(zhí)行機構(gòu)控制算法與驅(qū)動

本系統(tǒng)采用PID算法來控制舵機轉(zhuǎn)動的速度及角度。舵機開始工作后，圖像采集模塊不斷采集當(dāng)前小球位置坐標(biāo)狀態(tài)，并與之前的狀態(tài)比較，使得小球的運動狀態(tài)逐漸趨向于平穩(wěn)。PID算法控制器由平板轉(zhuǎn)動角度比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。

平板轉(zhuǎn)動角度比例P：對舵機角速度進(jìn)行比例調(diào)整，即對平板轉(zhuǎn)動角度調(diào)整。比例越大，調(diào)節(jié)速度越快。但不能過大，過大可能造成舵機因工作狀態(tài)突變而使平板不穩(wěn)定。

角度誤差積分I：使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。本系統(tǒng)追求更快更穩(wěn)完成對小球的控制，對積分調(diào)節(jié)的需要就非常弱。即保證在不需要時系統(tǒng)不會受到影響。

角度微分D：微分作用反映平板角度的變化率，即角速度。具有預(yù)見性，能預(yù)見偏差變化的趨勢因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒有形成之前，己被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在微分時間選擇合適情況下，減少調(diào)節(jié)時間。

4小結(jié)

使用了基于PID算法的板球系統(tǒng)控制，可以迅速提高單片機運行速度，使得板球系統(tǒng)可以快速尋跡、穩(wěn)定。

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