全国大学生电子设计竞赛
（B题 ） 滚球控制系统
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摘 要
滚球控制系统是一种典型的多变量，非线性的欠驱动控制系统，其目的是为了实现小球的镇定控制与轨迹跟踪。本系统利用摄像头采集信息，经过摄像头硬件二值化得到小球的坐标，程序设定小球的运动轨迹。采用增量式PID算法，比例环节进行快速响应，积分环节实现无静差，微分环节减小超调，加快动态响应。从而使系统具有良好的性能，能很好地实现自由摆运动、快速制动静止、画圆、按指定方向偏移，具有很好的稳定性。本系统通过大量的调试PID参数，最终可以实现轨迹路径运动，静态平衡等题目内容。
关键词：增量式PID算法，图像处理，PWM，硬件二值化
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目录
一、系统方案 .................................................................1
1.1 系统基本方案 ....................................................................................................................1
1.1.1 控制方案设计 .........................................................................................................1 1.1.2 机械结构方案设计 .................................................................................................1 1.2 方案选择与论证.. ..............................................................................................................1
1.2.1单片机的选择 ..........................................................................................................1
1.2.2摄像头的选择...........................................................................................................2
二、 系统理论分析与计算 ......................................................2 2.1摄像头检测小球算法的分析 .....................................................................................................2 2.2增量式PID控制算法的分析.....................................................................................................2 三、电路与程序设计 ...........................................................3 3.1电路的设计 .................................................................................................................................3 3.2程序的设计 .................................................................................................................................4 3.2.1程序功能描述与设计思路 ......................................................................................................4 3.2.2程序流程图 ..............................................................................................................................4 四、测试方案与测试结果 .......................................................5
4.1测试方案 .............................................................................................................................5 4.2测试条件与仪器 .................................................................................................................5 4.3测试结果及分析 .................................................................................................................5
（1）测试结果 .................................................................................................................5 （2）测试分析与结论 .....................................................................................................6
五、结论与心得 ...............................................................6
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滚球控制系统（B题）
【本科组】
一、系统方案
1.1 系统基本方案
1.1.1 控制方案设计
根据题目要求，基本需要LCD显示屏，矩阵键盘，摄像头以及舵机等外设，用键盘输入指令选择系统需要执行的相关程序。摄像头用于图像采集，根据采集的数据来计算小球当前位置和目标位置的距离，通过单片机，利用PID算法进行控制，使小球朝着要求的目标位置运动，同时LCD显示经过处理的运动画面。
图1-1
1.1.2 机械结构方案设计
由于平板边长（65cm）较长，且要求摄像头要俯拍平板全画面，所以要求装置底座结构稳定，支撑摄像头支架稳定不晃动。平板材料方面，选用轻便的硬质塑料泡沫材料与舵机传动轴进行刚性连接，既能保证连接处的稳定，又可达到灵活目的。电机选择方面，既要保证推力够大，能够实现题目基本要求中的轨迹移动、快速制动静止。评判中心作为坐标系原点，x轴、y轴各放置一个伺服电机，利用伺服电机控制x、y轴可实现对平板各个方向倾斜的控制。
1.2 各部分方案选择与论证
1.2.1 单片机的选择
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采用K60单片机。操作简单，带有配套的LCD显示屏，可精确显示出图像以及小球的坐标信息。并且开发环境非常容易搭建，2 路PWM控制两个舵机 ，单片机可控制舵机转动，从而实现小球的移动。符合题目所需的控制要求。
1.2.2 摄像头的选择
方案一：摄像头选择的是OV7725型可以硬件二值化的鹰眼摄像头，像素30万，传输速率达到60fps，视场角达到63°，拥有很好的低照度。可以满足本系统所需。 方案二：选择ov7670图像传感器。体积小，工作电压低，基本与ov7725相同。但是视场角只有23°，由于板子边长较大，视场角小的话需要把摄像头抬高，这样影响模型的稳定。并且ov7670不能进行硬件二值化处理摄像头采集的图像。 综合考虑，为了方便实现功能，选择方案二。
二、系统理论分析
2.1摄像头检测小球算法的分析
系统使用白色泡沫板材，黑色硬质小球，摄像头采集图像通过硬件二值化： （1）处理二值化图像，黑为0，白为255. （2）将0，255化的图像装进一个二维数组。 （3）进行行扫描。 （4）进行列扫描。
（5）如果为255，则分别将x，y坐标输出到两个一维数组。
（6）该一维数组第一个和最后一个数组相加除以2，即为（x，y）坐标。
2.2 增量式PID控制算法的分析
增量式PID控制将当前时刻的控制量和上一时刻的控制量做差，以差值为新的控制量，是一种递推式的算法。增量式PID控制主要是通过求出增量，将原先的积分环节的累积作用进行了替换，避免积分环节占用大量计算性能和存储空间。
增量式PID控制的主要优点为：
①算式中不需要累加。控制增量Δu(k)的确定仅与最近3次的采样值有关，容易通过加权处理获得比较好的控制效果；
②计算机每次只输出控制增量，即对应执行机构位置的变化量，故机器发生故障时影响范围小、不会严重影响生产过程；
③手动—自动切换时冲击小。当控制从手动向自动切换时，可以作到无扰动切换。
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