滾球控制系統(tǒng)的設計

劉寶民 方士博 趙海博 耿春麗

摘要 滾球控制系統(tǒng)以stm32單片機為主控模塊，使用oled顯示屏顯示當前數(shù)據(jù)參數(shù)，使用openmv攝像頭觀察小球的運動，并將小球的實時位置傳回主控，然后主控給予指令，舵機結(jié)合PD算法進行工作，使白板傾斜，從而讓小球達到主控給定的位置。

【關鍵詞】stm32單片機 openmv攝像頭 舵機PD

隨著當前科技電子的進步，逐漸興起了一批新型電子。文獻[1]進行了模糊控制和傳統(tǒng)的PD和PID算法的研究;文獻[2]研究了解耦自適應模糊多層滑模控制方法能夠有效解決非線性系統(tǒng)的不確定性、強耦合和外部干擾等問題;文獻[3]對視覺的板球控制系統(tǒng)進行研究，并取得了很好的控制效果。

基于2017年全國大學生電子設計競賽的滾球控制系統(tǒng)的設計要求，該設計不僅可以調(diào)動大學生學習電子知識的積極性，而且可以普遍提高人們對電子商業(yè)的重視，還可以補充大學生動手實踐能力不足的缺陷，最重要的是能夠讓大學生認識到團隊的重要性，培養(yǎng)團隊協(xié)作的意識。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)首先給單片機一個指令，如將小球運動到白板某一位置，然后openmv攝像頭鎖定這個位置，再將這個位置返回給主控，主控給舵機指令，舵機運動，使小球運動，同時，PD算法也運行起來，使小球不會掉下白板，并最終穩(wěn)定的停在指定位置。本系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件實際調(diào)試之后，能夠?qū)崿F(xiàn)基本目標。

2 系統(tǒng)結(jié)構

2.1 系統(tǒng)機械結(jié)構

系統(tǒng)的底層支架是一塊大木板，白板在木板的上15cm處，白板正中央由一支碳素桿加一個萬向輪固定，一個舵機固定在碳素桿的左方（定為x軸），一個位于第一個舵機和萬向輪的垂直平分線上（定為y軸），openmv攝像頭固定在空心的鐵棒上，距離白板大約60cm，下面用兩根鐵棒固定在木板上，按鍵、單片機和oled顯示屏固定在木板上。

2.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構

本文涉及的滾球控制系統(tǒng)包括單片機控制模塊、openmv攝像頭模塊、顯示模塊、按鍵、舵機模塊、電源模塊等組成。如圖1所示。

2.2.1 單片機控制模塊

基于ARM系列32位stm32f103zet6單片機，此單片機功耗小，I/O端口速度快，12通道DMA控制器，調(diào)試方式簡單高效，中斷響應速度快、處理效率較高。

2.2.2 攝像頭模塊

openmv攝像頭不止小巧，低功耗，還自帶STM32F4的芯片，以致追蹤和傳送數(shù)據(jù)非常快速，而且這款攝像頭是使用高級語言Python來書寫，這使得更容易處理機器視覺算法的復雜輸出，他不僅可以進行圖像捕獲，還可以進行臉部檢測，顏色跟蹤，QR碼讀取等。

2.2.3 顯示屏

oled顯示屏具備有構造簡單、響應速度快，圖像穩(wěn)定;亮度高、色彩豐富、分辨率高。對比度高、厚度薄、視角廣、反應速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣，驅(qū)動電壓低、能耗低等優(yōu)點。

2.2.4 動作模塊

舵機可以根據(jù)你的指令旋轉(zhuǎn)到任意的角度并精準的停下來，反應快，扭力大，具有較強的過載能力，控制精度高，運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，并具有共振抑制作用，可涵蓋機械的剛性不足，便于系統(tǒng)調(diào)整，響應速度快。

2.3 系統(tǒng)軟件結(jié)構

本文主要由初始化程序，oled顯示程序，舵機+PD算法，openmv攝像頭識別小球的運動程序等構成。如圖2所示。

2.3.1 PD算法

本系統(tǒng)針對白板運動引起小球的運動，使小球運動到指定位置，所以需要閉環(huán)控制，而PID算法的時延過大，舵機的反應以及攝像頭的反應速度較快，所以不適用，所以還是PD算法最適合舵機，PD算法程序如下。

參考文獻

[1]孟廷豪.王忠慶.溫志芳，板一球系統(tǒng)的經(jīng)典控制和模糊控制的研究[J].科技信息.2011 （15）.

[2]韓京元.田彥濤.孔英秀.張英慧.李津淞.板球系統(tǒng)自適應解耦滑模控制[J].吉林大學學報，2014 （15）.

[3]趙艷花，邵鴻翔，基于視覺的板球控制系統(tǒng)研究[J].自動化技術與應用，2011（25）.

[4]王賡.孫政順.板球控制系統(tǒng)的PD型模糊控制算法研究[J].電氣傳動，2004 （20）.