嵌入式攝像頭OpenMV板球系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：以O(shè)penMV圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，借助MicroPython語(yǔ)言使其相應(yīng)IO口輸出PWM，完成了基于串級(jí)PID的板球控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)．系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)小球的精確定點(diǎn)和圓周運(yùn)動(dòng)控制．測(cè)試結(jié)果表明：OpenMV可實(shí)時(shí)采集小球在平板上的位置并獲取對(duì)應(yīng)的二維坐標(biāo)；小球能夠按照指定路徑運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，反應(yīng)迅速．

關(guān)鍵詞：板球控制系統(tǒng)；OpenMV；圖像處理；串級(jí)PID

0引言

板球控制系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的非線性控制系統(tǒng)．與其他經(jīng)典控制系統(tǒng)相類似，其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ǔＳ糜隍?yàn)證各種控制算法的優(yōu)劣，其中包括智能控制算法、現(xiàn)代控制算法等．已有的板球控制系統(tǒng)因使用多個(gè)控制器而導(dǎo)致系統(tǒng)硬件搭建比較困難，且大部分是基于觸摸反饋機(jī)制的系統(tǒng)，通過(guò)觸摸屏的壓力變化反饋小球的位置信息．其控制方式大多為單環(huán)PID控制，難以精確實(shí)現(xiàn)對(duì)小球的位置控制，誤差較大，且系統(tǒng)抗干擾能力弱，執(zhí)行器響應(yīng)較慢．為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)的板球控制系統(tǒng)硬件部分采用將核心處理器和傳感器合并為一體的OpenMV，不僅簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時(shí)避免了硬件搭建冗雜的缺陷．在軟件控制算法部分采用x軸-y軸并級(jí)的串級(jí)PID算法[1]，平板在OpenMV攝像頭中可視為二維坐標(biāo)系．通過(guò)設(shè)置速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小球精確的位置控制，同時(shí)使該算法的系統(tǒng)抗干擾能力得到了增強(qiáng)，執(zhí)行器的響應(yīng)速度也得到了優(yōu)化．

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

openmv作為板球控制系統(tǒng)的傳感器和控制器，以STM32H743CPU為核心，集成的OV7725攝像頭芯片作為該系統(tǒng)的圖像處理模塊．另外，MG996R舵機(jī)作為執(zhí)行器，7.2V鎳-鉻電池作為執(zhí)行器的總電源，XL4016DC-DC模塊作為舵機(jī)的穩(wěn)壓模塊，為舵機(jī)提供恒定電壓．首先，利用OpenMV中的傳感器模塊引入攝像頭的感光元件并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化；接著通過(guò)圖像二值化算法確定小球在OpenMV攝像頭中的二維坐標(biāo)[2]，計(jì)算出小球當(dāng)前位置的偏差與當(dāng)前小球的速度；然后對(duì)此偏差利用串級(jí)PID控制算法在OpenMV中進(jìn)行處理，最終計(jì)算得到舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度并控制板球的平衡．小球的位置信息可發(fā)送至上位機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)．圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖．

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

板球控制系統(tǒng)的硬件部分由OpenMV、模擬舵機(jī)、穩(wěn)壓模塊等構(gòu)成．本設(shè)計(jì)使用的OpenMV共有14個(gè)定時(shí)器，包含2個(gè)通用定時(shí)器，采用3個(gè)I/O引腳用于舵機(jī)控制．同時(shí)具有全速USB（12Mbs）接口，連接電腦上的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境OpenMVIDE可實(shí)時(shí)采集OpenMV攝像頭捕捉到的圖像，方便程序運(yùn)行時(shí)監(jiān)控小球的運(yùn)動(dòng)情況．圖2為板球控制系統(tǒng)實(shí)物圖．綜合本系統(tǒng)的實(shí)際需求以及硬件搭建的簡(jiǎn)潔性，采用7.2V鎳-鉻電池作為系統(tǒng)的總電源．電池容量為2000mAh，通過(guò)XL4016DC-DC模塊將電池電壓轉(zhuǎn)為兩路6V輸出，分別為2個(gè)舵機(jī)供電．

2.1OpenMV攝像頭

OpenMV攝像頭是一種小型、低功耗、多應(yīng)用的微控制器板，使用MicroPython語(yǔ)言進(jìn)行編程．其配備的OV7725圖像傳感器能夠以高幀率拍攝8位灰度圖像或16位RGB圖像，方便在工程應(yīng)用中使用機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)相關(guān)圖像的應(yīng)用算法．

2.2舵機(jī)執(zhí)行器

舵機(jī)屬于伺服電機(jī)，帶有反饋環(huán)節(jié)，可根據(jù)其屬性對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行精確的位置控制或者輸出較高的扭矩．本設(shè)計(jì)采用的MG996R舵機(jī)在6V供電下具有11kg/cm的扭矩和0.15sec/60°的控制精度，適用于對(duì)控制精度要求較高的板球控制系統(tǒng)．舵機(jī)硬件連接共有3根線，分別為VCC、GND和PWM信號(hào)線．控制舵機(jī)通過(guò)接收周期為20ms的PWM信號(hào)決定其輸出角度．輸入信號(hào)的脈沖寬度與舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度呈線性關(guān)系．表1為舵機(jī)輸出角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表．

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

板球控制系統(tǒng)的軟件算法設(shè)計(jì)主要由小球識(shí)別、串級(jí)PID構(gòu)成．系統(tǒng)上電后，首先通過(guò)按鍵進(jìn)行模式選擇定點(diǎn)或圓周運(yùn)動(dòng)；隨后通過(guò)OpenMV機(jī)器視覺(jué)庫(kù)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，確定小球在圖像中的x軸與y軸坐標(biāo)，并與設(shè)定點(diǎn)坐標(biāo)值做差處理，得到小球的位置偏差；再利用幀差分法求出小球速度；最后通過(guò)串級(jí)PID算法求出平板需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度并向舵機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)，從而維持板球平衡．圖3為系統(tǒng)總控制流程圖．

3.1圖像處理

為了提高機(jī)器視覺(jué)相關(guān)算法的開(kāi)發(fā)效率，OpenMV提供了基于圖像處理的MicroPython語(yǔ)言編程接口，內(nèi)置的圖像二值化算法取決于灰度閾值的設(shè)置范圍．根據(jù)像素是否在閾值列表內(nèi)，將圖像中的所有像素點(diǎn)設(shè)置為黑色或白色，圖4為OpenMVIDE閾值調(diào)試界面圖．系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先對(duì)視覺(jué)庫(kù)的sensor模塊進(jìn)行攝像頭初始化，將其像素模式設(shè)置為灰度模式；再利用OpenMVIDE中的閾值編輯器為小球選擇最佳的灰度跟蹤閾值，通過(guò)二值化函數(shù)image.binary()對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理[3]，即可識(shí)別出小球；最后通過(guò)逐行掃描白色的像素點(diǎn)算法確定小球的中心位置坐標(biāo)．圖5為OpenMV二值化圖像處理流程圖．

3.2串級(jí)PID

為了解決傳統(tǒng)單環(huán)PID控制響應(yīng)速度慢、抗干擾能力弱等問(wèn)題，對(duì)于精度較高要求的本系統(tǒng)采用串級(jí)PID控制[4]．利用平板在OpenMV攝像頭中呈二維坐標(biāo)系x軸和y軸，由于運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性原理，忽略掉球板之間的摩擦力，可將小球的運(yùn)動(dòng)分解為相互垂直的兩個(gè)方向．因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)選取的平板為正方形，兩舵機(jī)執(zhí)行器轉(zhuǎn)動(dòng)角度應(yīng)設(shè)置相同．PID的一般控制規(guī)律為1dedd（1）式中：err(t)是設(shè)定值和實(shí)際值的偏差，Kp是比例系數(shù)，TI是積分時(shí)間常數(shù)，TD是微分時(shí)間常數(shù)．由于本設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，故設(shè)計(jì)以下離散化PID控制系統(tǒng)：假設(shè)采樣間隔為T，系統(tǒng)輸入量為input(t)，輸出量為output(t)，則在第K時(shí)刻的偏差為（2）則離散化PID控制規(guī)律為由式（3）可得，系統(tǒng)的輸出與最近的兩次偏差有關(guān)，此PID控制為位置離散化PID，則速度環(huán)為位置環(huán)與相鄰時(shí)間的比值．式中：V為小球的實(shí)際速度，err(k-1)為小球上一次誤差，err(k)為本次誤差，為攝像頭兩次檢測(cè)小球的時(shí)間差．為實(shí)現(xiàn)對(duì)小球的串級(jí)PID控制，首先需要理清系統(tǒng)的輸入輸出以及系統(tǒng)的相關(guān)特征．本次設(shè)計(jì)的板球控制系統(tǒng)，首先是通過(guò)OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊獲取小球的位置坐標(biāo)以及幀差分算法計(jì)算的小球速度．兩者作為串級(jí)PID的相關(guān)輸入或輸出，可得到平板應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度．在控制算法中，采用x軸-y軸并級(jí)的串級(jí)PID算法[5]．圖6為控制算法的結(jié)構(gòu)框圖．設(shè)置小球的速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)，內(nèi)環(huán)將外環(huán)求得的小球期望速度與OpenMV幀差分算法得到的小球速度做差后作為內(nèi)環(huán)的輸入，通過(guò)PD控制器獲得舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度作為系統(tǒng)最終的輸出．內(nèi)環(huán)控制的主要作用是限制小球速度，故運(yùn)用PD控制．外環(huán)將輸入的期望坐標(biāo)與OpenMV圖像處理得到的小球坐標(biāo)做差后作為系統(tǒng)輸入，通過(guò)PID控制器得到小球的期望速度并參與系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)輸入．外環(huán)控制的主要作用是提高小球位置控制的精度，故運(yùn)用PID控制．

3.3定點(diǎn)及圓周運(yùn)動(dòng)

小球的定點(diǎn)控制目標(biāo)，是將其快速、精確地穩(wěn)定在目標(biāo)點(diǎn)．通過(guò)OpenMV攝像頭檢測(cè)小球的當(dāng)前位置與設(shè)定位置的偏差以及小球的運(yùn)動(dòng)速度，使用串級(jí)PID控制算法，通過(guò)調(diào)整合適的PID參數(shù)，輸出平板x軸和y軸傾斜角度所需的控制量，通過(guò)執(zhí)行器舵機(jī)可實(shí)現(xiàn)小球最終穩(wěn)定在目標(biāo)點(diǎn)區(qū)域．對(duì)于小球圓周運(yùn)動(dòng)控制算法的實(shí)現(xiàn)，可參考圓的參數(shù)方程：（4）式中：，表示圓心坐標(biāo)；r表示圓的半徑；θ為2π的歸一化值．設(shè)置圓心坐標(biāo)和小球運(yùn)動(dòng)半徑，利用OpenMV內(nèi)置的定時(shí)器，每秒θ值加一，通過(guò)調(diào)整內(nèi)外環(huán)控制器合適的參數(shù)（內(nèi)環(huán)：Kp=0.1，Kd=0.02；外環(huán)：Kp=0.28，Ki=0.04，Kd=0.14），即可保證小球在平板上做圓周運(yùn)動(dòng)．

4測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)內(nèi)外環(huán)PID相關(guān)參數(shù)的不斷校正，最終板球控制系統(tǒng)可以在定點(diǎn)模式和圓周運(yùn)動(dòng)模式之間任意切換．經(jīng)測(cè)試，在小球定點(diǎn)控制模式下，小球與最終目標(biāo)位置的精度偏差最大不超過(guò)1cm，穩(wěn)定時(shí)間不超過(guò)6s．在圓周運(yùn)動(dòng)模式中，小球能按照設(shè)定圓的參數(shù)完成繞行任務(wù)，小球繞行的圓半徑與實(shí)際設(shè)定的圓半徑偏差不超過(guò)1.5cm．經(jīng)過(guò)對(duì)小球環(huán)繞的多次測(cè)試，得出小球繞行一圈的平均時(shí)間約為15s．圖7為小球圓周運(yùn)動(dòng)效果圖．

5結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用OpenMV作為傳感器和控制器，利用圖像處理和串級(jí)PID控制算法完成了對(duì)板球控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．圖像部分運(yùn)用對(duì)像素的二值化處理可消除外部干擾因素的影響．軟件控制算法使用串級(jí)PID相比于單環(huán)PID控制更精確，能夠克服對(duì)象非線性特性的影響，通過(guò)內(nèi)外兩環(huán)并聯(lián)調(diào)節(jié)增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力．

作者:何俊杰 尹煒 胡柏 姚安權(quán) 陳林 李鑫 單位:常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院