2017年全国大学生电子设计竞赛滚球控制设计报告

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摘要： 本设计是以STM32单片机为核心、采用视觉检测技术的的滚球控制系统，
5 I- A; l$ `# S/ g# m4 x实现对小球在平板滚动的精确控制功能。本设计基本模块包括mcu、摄像头、
& _  ~4 p: c* `0 y" }显示屏、机械平台、按键输入，其中MCU即STM32 F429开发板，摄像头采用
OV2640，显示屏选择7 寸TFT触摸屏。通过摄像头获得图像数据，分析小球位
置来控制平板倾斜，达到控制小球的目的。

% Y6 h7 h8 y; A+ R+ L0 P题目要求我们在3cm直径的圆内稳定2cm左右的小球，精度很高。本实验
5 i2 P5 G- Q# w( L$ \! H首要问题就是要解决获取小球位置的难题。为此，我们采用摄像头采集数据，
单片机分析小球位置，与目标位置相比获得控制输入量，控制平板机械结构运
动。
0 N& n' \$ {0 L" n5 E二系统方案设计
1 平板控制方案
2 t: }& H! M9 T$ R方案一：推杆电机上下推动，这种方案材料易得，平板稳定，但是无法控
制行程，甚至需要mpu6050加入第二个控制环。
/ [: N/ \' z% B0 I1 Y- K0 }方案二：步进电机+丝杆，有现成器材，行程可控，速度可调，容易实现
PID。但机械结构难以组装。
方案三：舵机，角度与占空比成线性关系，不存在失步，力矩大。
在可行性与精确度指标上比较过后，决定采用方案三。
2 位置采集方案
方案一：在木板X与Y边缘分布大量光电收发二极管，为了实现题目要求
, R, r" F1 }8 a5 H# D  e9 V: m2 G3cm以内的定位，每侧需要60/3=20 个。难度低，但需要大量IO 口，精度也很
( b7 T, A' G! O  X- Q不理想。
方案二：摄像头采集数据，精度高，大量DMA中断操作使得PWM很不精确，
导致舵机不稳定。
经过讨论，我们决定使用方案二。
  P) _( m+ S3 {, ~. v" Q, N' \3 小球材料方案
方案一：木球，重量轻，有利于快速反应。但是不太圆
4 Z4 x- u' p# ]# \+ _; w! A5 G' E方案二：铁球，惯性大，加速度慢，有利于稳定。
方案三：选用RoboMaster 比赛的子弹。此圆球质量适中，漫反射材料有利
5 l: {, h! i5 a6 q0 {: o于小球像素提取。但是不容易获取。
多次实验并比较之后，我们采用方案二。
三理论分析与计算
/ k/ d, p" I) l
1 小球位置的分析与计算
! O/ j! L5 O4 w! e" F4 b+ z6 vOV2640是高像素的cmos摄像头，但现有模块中没有FIFO，存取速度极大
影响了主程序运行，因此采用DMA不经CPU传送数据，配合STM32F4系列特有
的DCMI，节省运算资源。小球的质心有多种方法计算。由于板上只有一个小球，
, V6 v; ]& N1 i3 d: V: h采用霍夫圆变换消耗过多运算资源得不偿失；获取小球上下左右四顶点求平均
方法很简单，精度足够；本设计中采用小球坐标相加求平均，即质心。对于图
像中的噪点，通过检测两个连续的像素点，来粗略判断是否是小球。
/ w0 s' B: y3 v+ M0 a% R* }3 z我们采用180 个像素点来显示Y轴坐标值，误差60cm/180=3.33mm。小球
2cm，在圆心处距离圆边界有5mm，因此误差可满足精度要求，但对控制要求较
! d5 u' t: N% D4 H高。
0 B3 Z- W4 c5 I: y; \; O% F2 控制算法分析
平板倾斜角与舵机转角成正比，而舵机转角与占空比成正比。即控制倾斜
4 z" x1 c2 p! F% C9 G* V角度仅需设定占空比。
9 y" E) u6 b9 H7 A4 a+ V$ n* q
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sherry2020

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