论文部分内容阅读
【摘 要】本文介绍了基于STM32的滚球装置的总体结构和控制原理，根据小球的位置信息控制小球到达指定点。
【关键词】STM32；滚球系统；图像处理；定位控制
整个系统的难点在于小球运动位置检测与处理，这里使用open MV摄像头采集图像信息。将摄像头悬挂于球板的正上方，连续采集球和板的图像，控制系统通过图像采集和图像分析操作得到小球在板上的位置信息。同时控制系统得到舵机编码器反馈的两个舵机转角，并根据舵机转角的换算关系计算出平板相对于水平位置的转角，求得小球质心在球盘坐标系的实际位置，进而对小球进行定位控制。本次设计硬件结构稳定，可控性强。
一、系统方案
系统包含电机模块、驱动模块、主控、电源、摄像头、安装支架及其他硬件结构。
二、电机
舵机，舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
三、驱动电路
在常见的驱动电路设计中，LM系列和W系列的芯片都可以供其使用。LM2941，LM2941芯片不但可在低输入输出压差下工作，而且输出可调。且LM2941还具有短路保护、热过载保护和自我保护功能
四、主控芯片
本次设计主控芯片使用STM32103ZET6。ARM32位 Cortex-M3内核，最高工作频率72MHz，1.25MIPS/MHz.片上集成32-512KB的FLASH存储器。6-64KB的SRAM存储器。2.0-3.6V的电源供电和I/O借口的驱动电压。上电复位，掉电复位和可编程的电压探测器。3种低功耗模式：休眠、停止、待机模式。
五、传感方式
即位置传感方案和视觉传感方案。视觉传感方式，视觉反馈和编码器反馈相结合得到系统的反馈并以此为依据进行控制。即摄像头悬挂于球板的正上方，连续采集求和板的图像，控制系统通过图像采集和图像分析操作得到小球在板上的位置信息。
六、系统理论分析与计算
（一）小球的检测
对于球的检测，所用的基本工具是Hough变换，Hough变换的基本思想是：利用图像的全局特征将图像的边缘像素连接起来构成封闭的边界，将图像空间变换成参数空间，并对空间的点进行描述，达到检测边缘的目的，该方案把可能落在边缘的点进行统计，根据统计的结果确定属于边缘的程度。其优点就是对于随机噪声的鲁棒性，局部残损的不敏感性以及适用于并行处理等优良特性，可以将图像中较为困难全局检测问题转换为空间中响度容易解决的问题。
小球检测的步骤：1.将采集的彩色图像转换为灰度图像；2.对图像进行预处理，及高斯滤波和Canny算子的边緣检测；3.在预处理的图像中应用改进的霍夫圆检测算法，获取圆的位置信息。
（二）控制方法分析
控制系统的位置信息由视觉系统得到。摄像头采集到小球和平板的图像并经过图像处理和图像识别后得到小球的质心位置，同时控制系统得到舵机编码器反馈的两个舵机转角，并根据舵机转角的换算关系计算出球盘相对于水平位置的转角，求得小球质心在球盘坐标系的实际位置。
为了使运动的小球稳定在平板上一个特定的位置，首先定义几个坐标系和变量：图像坐标系I（u，v），摄像机坐标系C（X ，Y，Z），世界坐标系W（r，p，q）。其中，图像坐标系I以像素为单位，摄像机坐标系C与世界坐标系以物理尺寸为单位。
板球系统控制流程思想如下：
1.系统初始化，首先进行视觉系统标定，机械系统标定以及各变量初始化以及运动控制系统初始化；2.控制系统开始工作，每隔控制周期到来时采集一帧图像，通过对图像进行图像处理操作得到小球质心在图像中的坐标；3.根据摄像机标定得到的摄像机参数矩阵，通过坐标映射得到小球在世界坐标系中的真实位置；4.根据3的结果和控制策略，计算舵机转角，控制系统根据计算结果向执行机构下发控制指令。
舵机驱动电路及其参数计算
V0计算公式： V0=（1+R2/R1）×VREF
稳压电路及其参数计算 V0=（1+R3/R4）×VREF+IADJ
其中VREF为1.25V，IADJ为R2的参考电流。
小球运动检测与处理
阈值分割是根据图像的某些特征或特征集合的相似性准则，对图像像素进行分组聚类，把图像平面划分为一系列有意义的区域，便后续的分析、识别等高级处理阶段需要处理的数据量大大减少，同时又保留有关图像结构特征的信息。
对图像进行阈值分割后得到二值图像，就可以提取小球的位置信息了。首先计算小球质心的图像坐标，再对图像坐标进行坐标变换，从而的到小球在世界坐标系的真实坐标。每个控制周期来临时，摄像机会采集一帧图像，运动物体的实时质心提取过程，就是在进入每个控制周期的时候对摄像机采集的这一帧图像进行二值化操作和质心提取操作，程序会用一个红色“+”标识质心所在，质心的图像坐标（u，v），小球在滚动时质心的跟踪性良好，能够满足控制系统的实时性要求。每个控制周期的实时质心提取过程完成后，程序通过实时质心提取过程得到的小球质心的图像坐标数据，经过坐标变换计算得到小球在世界坐标系中的真实坐标平板上的坐标。
七、执行机构控制算法
每个控制周期得到小球真实位置后，控制程序就可以对小球惊醒位置控制了。本程序采用最简单的PID控制算法实现这一过程。Kp，Ki，Kd分别为控制参数P，I和D。PID控制参数可由用户在控制开始之前设置。
八、结论
板球设计系统相对稳定，可以实现小球走固定轨迹，也可实现小球在木板上相对稳定。
【关键词】STM32；滚球系统；图像处理；定位控制
整个系统的难点在于小球运动位置检测与处理，这里使用open MV摄像头采集图像信息。将摄像头悬挂于球板的正上方，连续采集球和板的图像，控制系统通过图像采集和图像分析操作得到小球在板上的位置信息。同时控制系统得到舵机编码器反馈的两个舵机转角，并根据舵机转角的换算关系计算出平板相对于水平位置的转角，求得小球质心在球盘坐标系的实际位置，进而对小球进行定位控制。本次设计硬件结构稳定，可控性强。
一、系统方案
系统包含电机模块、驱动模块、主控、电源、摄像头、安装支架及其他硬件结构。
二、电机
舵机，舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。
三、驱动电路
在常见的驱动电路设计中，LM系列和W系列的芯片都可以供其使用。LM2941，LM2941芯片不但可在低输入输出压差下工作，而且输出可调。且LM2941还具有短路保护、热过载保护和自我保护功能
四、主控芯片
本次设计主控芯片使用STM32103ZET6。ARM32位 Cortex-M3内核，最高工作频率72MHz，1.25MIPS/MHz.片上集成32-512KB的FLASH存储器。6-64KB的SRAM存储器。2.0-3.6V的电源供电和I/O借口的驱动电压。上电复位，掉电复位和可编程的电压探测器。3种低功耗模式：休眠、停止、待机模式。
五、传感方式
即位置传感方案和视觉传感方案。视觉传感方式，视觉反馈和编码器反馈相结合得到系统的反馈并以此为依据进行控制。即摄像头悬挂于球板的正上方，连续采集求和板的图像，控制系统通过图像采集和图像分析操作得到小球在板上的位置信息。
六、系统理论分析与计算
（一）小球的检测
对于球的检测，所用的基本工具是Hough变换，Hough变换的基本思想是：利用图像的全局特征将图像的边缘像素连接起来构成封闭的边界，将图像空间变换成参数空间，并对空间的点进行描述，达到检测边缘的目的，该方案把可能落在边缘的点进行统计，根据统计的结果确定属于边缘的程度。其优点就是对于随机噪声的鲁棒性，局部残损的不敏感性以及适用于并行处理等优良特性，可以将图像中较为困难全局检测问题转换为空间中响度容易解决的问题。
小球检测的步骤：1.将采集的彩色图像转换为灰度图像；2.对图像进行预处理，及高斯滤波和Canny算子的边緣检测；3.在预处理的图像中应用改进的霍夫圆检测算法，获取圆的位置信息。
（二）控制方法分析
控制系统的位置信息由视觉系统得到。摄像头采集到小球和平板的图像并经过图像处理和图像识别后得到小球的质心位置，同时控制系统得到舵机编码器反馈的两个舵机转角，并根据舵机转角的换算关系计算出球盘相对于水平位置的转角，求得小球质心在球盘坐标系的实际位置。
为了使运动的小球稳定在平板上一个特定的位置，首先定义几个坐标系和变量：图像坐标系I（u，v），摄像机坐标系C（X ，Y，Z），世界坐标系W（r，p，q）。其中，图像坐标系I以像素为单位，摄像机坐标系C与世界坐标系以物理尺寸为单位。
板球系统控制流程思想如下：
1.系统初始化，首先进行视觉系统标定，机械系统标定以及各变量初始化以及运动控制系统初始化；2.控制系统开始工作，每隔控制周期到来时采集一帧图像，通过对图像进行图像处理操作得到小球质心在图像中的坐标；3.根据摄像机标定得到的摄像机参数矩阵，通过坐标映射得到小球在世界坐标系中的真实位置；4.根据3的结果和控制策略，计算舵机转角，控制系统根据计算结果向执行机构下发控制指令。
舵机驱动电路及其参数计算
V0计算公式： V0=（1+R2/R1）×VREF
稳压电路及其参数计算 V0=（1+R3/R4）×VREF+IADJ
其中VREF为1.25V，IADJ为R2的参考电流。
小球运动检测与处理
阈值分割是根据图像的某些特征或特征集合的相似性准则，对图像像素进行分组聚类，把图像平面划分为一系列有意义的区域，便后续的分析、识别等高级处理阶段需要处理的数据量大大减少，同时又保留有关图像结构特征的信息。
对图像进行阈值分割后得到二值图像，就可以提取小球的位置信息了。首先计算小球质心的图像坐标，再对图像坐标进行坐标变换，从而的到小球在世界坐标系的真实坐标。每个控制周期来临时，摄像机会采集一帧图像，运动物体的实时质心提取过程，就是在进入每个控制周期的时候对摄像机采集的这一帧图像进行二值化操作和质心提取操作，程序会用一个红色“+”标识质心所在，质心的图像坐标（u，v），小球在滚动时质心的跟踪性良好，能够满足控制系统的实时性要求。每个控制周期的实时质心提取过程完成后，程序通过实时质心提取过程得到的小球质心的图像坐标数据，经过坐标变换计算得到小球在世界坐标系中的真实坐标平板上的坐标。
七、执行机构控制算法
每个控制周期得到小球真实位置后，控制程序就可以对小球惊醒位置控制了。本程序采用最简单的PID控制算法实现这一过程。Kp，Ki，Kd分别为控制参数P，I和D。PID控制参数可由用户在控制开始之前设置。
八、结论
板球设计系统相对稳定，可以实现小球走固定轨迹，也可实现小球在木板上相对稳定。