基于Kmeans算法的自動(dòng)打靶系統(tǒng)

程瀟雅 李 祿 李 萱 白雪雪 王指南

（西安科技大學(xué)自動(dòng)化 陜西西安 710600）

一、總體方案的設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)框圖

圖1-1 系統(tǒng)框圖

基于Kmeans算法的自動(dòng)打靶系統(tǒng)主要由攝像頭OV7725、STM32F407ZGT6、舵機(jī)、激光筆構(gòu)成。該系統(tǒng)建立直角坐標(biāo)系，舵機(jī)分為X軸和Y軸方向。攝像頭和激光筆安裝在舵機(jī)上，兩者同軸，皆隨舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。采用激光筆紅點(diǎn)坐標(biāo)固定、靶面坐標(biāo)活動(dòng)的方式，經(jīng)攝像頭圖像采集、控制器數(shù)據(jù)處理后，得到目標(biāo)和靶面的坐標(biāo)差，從而控制激光筆打向目標(biāo)中心點(diǎn)。[1]

二、主要結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

1.電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置

采用180度旋轉(zhuǎn)舵機(jī)控制導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)為隨動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以外接較大的負(fù)載，輸出扭矩大，而且抗抖動(dòng)性很好。180度旋轉(zhuǎn)舵機(jī)內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路，用單片機(jī)輸出的信號(hào)可以直接驅(qū)動(dòng)，接線方便，可以用PWM波占空比直接控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，達(dá)到打靶角度控制目的。[2]

2.去噪算法

采用Kmeans聚類算法，理解容易，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單。去噪效果好，可有效剔除離散式坐標(biāo)，只取有效聚集坐標(biāo)。處理大數(shù)據(jù)集時(shí)，可保證較好的伸縮性和高效性。

三、理論分析與計(jì)算

1.打靶控制系統(tǒng)分析

自動(dòng)打靶系統(tǒng)是一個(gè)多變量、非線性控制的控制系統(tǒng)。在顏色識(shí)別中，攝像頭噪聲會(huì)導(dǎo)致顏色誤判，普通加權(quán)平均得到的坐標(biāo)受噪聲影響和實(shí)際坐標(biāo)誤差較大，去噪成為顏色識(shí)別關(guān)鍵點(diǎn)之一。攝像頭將像素點(diǎn)RGB值傳遞給控制器轉(zhuǎn)化為HSL格式后，采用Kmeans聚類算法，可消除噪聲或離散點(diǎn)的干擾，篩選并聚集靶子坐標(biāo)，精確地確定靶子的中心坐標(biāo)。具體算法步驟如下：

（1）隨機(jī)選取訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的K個(gè)中心點(diǎn)。

（2）當(dāng)k值選定后，隨機(jī)計(jì)算n次，取得到最小函數(shù)值的k作為最終聚類結(jié)果，避免隨機(jī)引起的局部最優(yōu)解。

（3）繪制出k--顏色坐標(biāo)閃點(diǎn)圖，看到有明顯拐點(diǎn)（如下）的地方，設(shè)為k值，可以結(jié)合輪廓系數(shù)。

（4）重復(fù)2-3，直到這k個(gè)中線點(diǎn)不再變化（收斂了），或執(zhí)行了足夠多的迭代。由此得到靶子中心的坐標(biāo)。

而對(duì)于打靶控制系統(tǒng)來(lái)講，由于距離較遠(yuǎn)，每一微小角度的改變，都會(huì)引起坐標(biāo)位置較大的改變，且呈非線性改變。所以在控制器設(shè)計(jì)中，引入PID反饋控制，使得控制能更加精確。

四、程序的設(shè)計(jì)

1.程序設(shè)計(jì)環(huán)境描述

系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。C語(yǔ)言本身帶有各種庫(kù)函數(shù)，運(yùn)算能力較強(qiáng)，本系統(tǒng)的軟件中算數(shù)運(yùn)算比較多，利用C語(yǔ)言編程可以體現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。程序是在Window10環(huán)境下采用Keil uVision5軟件編寫的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光筆的精確控制，對(duì)傳感器輸入信號(hào)的處理等功能。

2.程序功能描述與設(shè)計(jì)思路

自動(dòng)打靶控制系統(tǒng)首先對(duì)靶面顏色識(shí)別，然后根據(jù)坐標(biāo)反饋信息，運(yùn)用PID算法得到PWM值（脈沖寬度調(diào)制），然后輸出PWM波驅(qū)動(dòng)舵機(jī)按照要求轉(zhuǎn)動(dòng)。

程序設(shè)計(jì)的思路是通過(guò)攝像頭組件對(duì)靶子坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，把采集的兩種信息作為控制輸入，使用PID控制算法對(duì)各個(gè)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，然后把以優(yōu)化的參數(shù)（PWM值）作為電機(jī)的控制輸入，使得激光筆實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打靶功能。[3]

五、測(cè)試結(jié)果

1.測(cè)試方法

（1）硬件測(cè)試：分別對(duì)每個(gè)模塊做相應(yīng)的測(cè)試。

（2）軟件仿真測(cè)試：使用Keil MDK軟件進(jìn)行仿真。

（3）硬件軟件聯(lián)調(diào)：對(duì)打靶控制系統(tǒng)的測(cè)試是在一個(gè)符合要求的環(huán)境中測(cè)試的，逐步按要求進(jìn)行測(cè)試。

2.測(cè)試條件與儀器

在室溫條件下，測(cè)試所用儀器如下：

數(shù)字萬(wàn)用表（MPD-3303）；直流電源（UT39A）；秒表；尺子。

3.測(cè)試數(shù)據(jù)

在確定測(cè)試方案之后和測(cè)試儀器之后，得到了測(cè)試結(jié)果。系統(tǒng)分別按順序打向紅、綠、藍(lán)三個(gè)顏色的靶子，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：具體結(jié)果由一下分析所示：

表5-1

六、設(shè)計(jì)總結(jié)

測(cè)試結(jié)果表明，基于Kmeans算法的自動(dòng)打靶系統(tǒng)準(zhǔn)確率高，去噪聲效果好、反應(yīng)速度快，能有效進(jìn)行顏色識(shí)別和顏色數(shù)據(jù)處理篩選，運(yùn)行性能穩(wěn)定。