滚球控制系统设计报告材料

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1、实用标准文案2017年全国大学生电子设计竞赛设计报告滚球控制系统（B题）【本科组】摘要：本系统采用STM32F103ZET6最小系统板为控制中心，利用OV7670摄像头、显示器、按键、S010舵机、小球、万向节、平板支架构成滚球控制系统。单片机利用摄像头采集到的数据，确定小球的位置坐标，通过PID闭环控制舵机PWM输出打角拉动支撑杆，控制平板倾斜度达到小球滚到指定区域停留等状态。控制系统采用PID算法组成闭环控制系统具有很好的稳定性，此外通过TFT显示屏显示小球位置，各个功能的实现可以通过按键输入。文档实用标准文案一

2、、系统方案本系统主要由单片机控制模块、摄像头模块、LCD显示屏模块、电源模块、舵机及平板机械支架构成组成。STM32作为滚球系统的控制核心，利用摄像头采集过来的数据通过黑白二值化，以此判别平板和黑色球并显示在LCD上。摄像头对滚球准确定位，确定其坐标位置，同时记录平板规定的9个区域坐标，单片机通过返回的坐标位置结合PID算法，给定舵机PWM输出形成闭环控制系统，从而控制小球去到指定区域保持平衡。同时，可通过矩阵按键选择功能模式，与设计任务一一对应的，系统的总体方案框图见图1。图1系统总体方案框图1、主控制器件的论证与

3、选择方案一：采用STC89C52单片机作为控制模块的核心。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。但其能使用的I/O口很少，ROM空间不足，不适合采用STC89C52为主控芯片。方案二：采用STM32103FZET6单片机为主控器。STM32运行速度快，片上资源丰富，具有很多外围接口，可拓展性强，灵活性高。完全可以实现本系统的各个设计任务，具有良好的响应速度。通过比较，我们选择方案二。2、滚球控制系统方案选择方案一：采用MPU6050三轴陀螺仪。利用三轴陀螺

4、仪可以算出平板的当前位置姿态，具有测量精确、结构简单等优点，但考虑到小球需要到平板指定的9个区域，MPU6050传感器很难确定其准确位置，可靠性差。文档实用标准文案方案二：选用摄像头对小球准确定位，根据题目给出的具体要求，采集摄像头检测到的数据传给单片机二值化处理，以此确定小球的位置坐标以及与目的坐标的偏差，反馈给单片机，实现更加精确的控制，而且通过LCD显示，更加直接有利于调试。综合以上两个方案，本系统选择方案二。3、滚球运动控制的论证与选择方案一：采用推杆直线电机。电推杆是通过将电动机的旋转运动转变为推杆往复直线

5、运动的电力驱动装置。利用多个电推杆可推动平板进行上下运动，但电推杆响应速度慢，而且需要很大的驱动电流，消耗功率大，还要加装继电器保护，比较繁琐。方案二：采用S010舵机。该舵机为伺服电机，通过舵柄转换成旋转运动来打到不同的角度，再加上装支撑杆就可以控制平板的上下运动。舵机三条控制线，分别为：电源、地及信号线，不需要驱动模块，只要单片机输出信号PWM就可以控制舵机打角。综合考虑采用方案二。4、显示器的论证与选择方案一：采用OLED显示器。该显示屏可显示汉字，不需用到背光板，具有轻薄短小、低耗电量，但为单色显示，界面效果

6、受限。方案二：选用TFTLCD显示器。TFTLCD显示屏分辨率高，真彩显示，可显示的界面丰富。方便绘图和编程控制，更有利于人机界面的操作控制，适用于较为功能性强的的控制系统。综合以上两种方案，选择方案二。二、系统理论分析与计算1、小球的精准定位分析通过OV7670摄像头采集图像进行二值化处理，用两个嵌套for循环可以计算得出小球在x轴和y轴上被扫描到最边上的两个值x-min、x-max和y-min、y-max，然后分别将x轴和y轴的最大最小值求和，再除以2，就可以得出小球的坐标x和y值。2、执行机构装置的分析方案一：

7、采用4个舵机作为执行机构，对称分布在平板四周，通过4个舵机不同的PWM输出来控制平板的运动从而控制小球的滚动，但4个舵机控制存在很大的不确定性，算法较为复杂。文档实用标准文案方案二：采用2个舵机和一根带万向节的支撑杆等边三角形分布，构成执行机构。采用二维平面X,Y方向来控制平板的运动，另外一根带万向节的支撑杆起到很好的连动作用，机械上更加简单，易于PID算法控制。综上以上方案，选择方案二。3、控制PID的计算在系统控制中，按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制。以下是PID的公式:u(t)=控

8、制点目前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。鉴于本系统通过小球坐标与目标位置坐标的偏差，只调节比例P、微分D的PD的增量式算法，即利用目的坐标与偏差的PD调节，控制滚球闭环控制系统，达到稳态无静差。三、电路与程序设计1、电路的设计采用STM32ZET6最小系统板，外接摄像头模块、显示模块、按键模块、电源模