摘 要

滚球控制系统通过摄像头获得滚球装置中小球和平板的图像，然后采用Nanopi
M3进行相应的图像处理算法处理图像，通过坐标变换转换为小球在平板上的位置信息，将位置信息传送给STM32F103RC系统控制器，在平板的两个相互正交方向上分别进行PID控制算法，控制舵机驱动平板在这两个相互正交方向上相互配合地倾斜，从而间接控制小球直线、绕环等运动。采用按键选择和12864液晶显示屏，选择和显示工作模式和参数。系统制作完善，测试结果理想，很好的完成了各项任务要求。

**关键词：**PID控制算法；图像处理；STM32F103RC；12864液晶显示屏

1 方案设计与论证

1.1 总体方案描述

图1.1
是滚球系统的构成框图，主要由控制器、执行器、板和球、摄像机、图像处理模块构成。

图2-1 小球识别流程图

其中，边缘检测需要进行如下步骤。

1）将彩色图像转换为灰度图像，用高斯平滑滤波对图像进行去噪处理。

2）用高斯的一阶微分对图像进行滤波，获得较好的梯度边缘。

3）对梯度进行非极大值抑制和滞后阀值处理得到图像的边缘。

4）采用双阀值算法检测和连接边缘。设置检测强边缘和弱边缘的2
个阀值。当检测到的边缘点的阀值，高于强边缘的阀值，则为强边缘，输出边缘点。当检测到边缘点的阀值介于强边缘的阀值和弱边缘的阀值之间时，认为是弱边缘点，当且仅当弱边缘与强边缘相连时，弱边缘才被输出。

经过以上几个步骤处理，检测到图像的边缘并输出。

2.2 小球运动控制原理

系统采用在工业控制中得到广泛运用的PID控制器，因为采用的是离散计算，所以PID算法又称为数字PID。数字PID控制算法可以分为位置式PID和增量式PID，在滚球系统中采用的是位置式PID。

常规模拟PID控制的控制规律描述如式2.1：

(2.1)

令=，式2.2代入式2.1得离散式PID表达式：

(2.3)

或

(2.4)

滚球系统将采集到的小球的位置信息在两个相互正交方向分别进行PID运算，将运算结果作用到PWM的脉宽上，以达到控制舵机转速。

3 系统软硬件设计

3.1 硬件结构设计

设计的平台机械结构如图 3-1 所示。

图 3-2 稳压电路

3.3 显示部分

带中文字库的128X64-0402B每屏可显示4行8列共32个16×16点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16×8点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。带中文字库的128X64-0402B内部提供128×2字节的字符显示RAM缓冲区（DDRAM）。其硬件连接如图3-3所示。

图3-4 总体程序框架图

1. 当系统上电后，12864液晶显示器显示开机界面，与此同时STM32F103RC对按键检测，选择工作状态，设定静止状态、运动位置、圆周运动。通过PID调节实现相应的功能。

（2）摄像头捕捉图像，Nanopi处理返回坐标值，调用PID子程序进行计算。**
**

（3）键盘初始化，判断是否有按键按下，无键按下，重新进行键盘扫描；有键按下，判断是哪个键按下，并进行相应的操作。

4 系统测试

4.1测试仪器

在室温条件下，测试所用仪器如表4-1所示。

表4-1 测试仪器

4.2 指标测试结果

（1）小球在指定区域停留时间。

要求：将小球放置在区域2，控制使小球在区域内停留不少于5秒，经过5次测试，测试结果如表4-2所示。

表4-2 小球在区域2停留时间

（2）小球从一个区域进入另一个区域所用时间及停留时间。

要求：控制小球从区域1进入区域4，在区域4停留不少于2秒；然后再进入区域5，小球在区域5停留不少于2秒。完成以上两个动作总时间不超过20秒。

表4-3 小球运动时间及停留时间

4.3误差分析

经分析，系统的主要误差来自于摄像头图像的采集，一方面，采集图像时受环境的影响较大，使得识别小球时有错误识别的情况。另一方面，由于摄像头是固定的，不能始终与正对着平台，在平台倾斜时，采集到平台的图像为梯形，使得小球的位置获取有一定误差。

5 总结

滚球控制系统以STM32F103RC为主控制器，以NanoPi为图像处理器，STM32根据NanoPi反馈的小球位置信息进行PID运算，作用于舵机改变平台的倾斜角度以达到控制小球运动的目的。因为滚球系统是通过摄像头采集图像，所以对硬件的搭建的要求很严格，为达到降低误差的目的，要求各机械结构的尺寸设计精确，且装配准确。在设计滚球控制系统过程中，不仅仅提高了动手能力，更是提高了发现问题和解决问题的能力。滚球控制系统在硬件上还存在着误差，可进一步的通过设计的合理性及精确程度来降低误差，在软件上，单纯的使用PID控制器，今后可通过建立数学模型来提高控制的高效性。

参考文献

[1] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础(第四版)[M].北京：清华大学出版

社，2006
[2] 汤兵勇等.模糊控制理论与应用技术[M].北京：清华大学出版社，2002
[3] 谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，1991
[4] 徐建华.图像处理与分析[M].北京：科学出版社，1992
[5] 章卫国，杨向中.模糊控制理论与应用[M].西安：西北工业大学出版社，

1999
[6] 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编

[M].北京：北京理工大学出版社，2008
[7] 汪文，陈林.单片机原理及其应用[M].湖北：华中科技大学出版社，2006
[8] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京：高等教育

出版社，2003.4
[9] 康华光，邹寿彬.电子技术基础数字部分（第四版）[M].北京：高等教育

出版社，2000.7
[10] 黄志伟.全国大学生电子设计竞赛培训教程[M].北京：电子工业出版社，

2005
[11] 康华光.电子技术基础(模拟部分)（第五版）[M].北京：高等教育出版

社,2005
2008
[7] 汪文，陈林.单片机原理及其应用[M].湖北：华中科技大学出版社，2006
[8] 康华光，陈大钦.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京：高等教育

出版社，2003.4
[9] 康华光，邹寿彬.电子技术基础数字部分（第四版）[M].北京：高等教育

出版社，2000.7
[10] 黄志伟.全国大学生电子设计竞赛培训教程[M].北京：电子工业出版社，

2005
[11] 康华光.电子技术基础(模拟部分)（第五版）[M].北京：高等教育出版

社,2005

来源：夜幕下的灯火