基于圖像處理的滾球控制系統(tǒng)設(shè)計

傅雨亭 高淳楠

摘 ? 要：滾球控制系統(tǒng)搭建了一個幾種不同顏色構(gòu)成的視覺環(huán)境。通過攝像頭獲得環(huán)境圖像，利用樹莓派運(yùn)行OpenCV進(jìn)行圖像處理，運(yùn)用otsu閾值分割算法實(shí)現(xiàn)圖像分割，并將圖像的RBG信息分層，進(jìn)而完成圖像識別，通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為小球在平板上的位置信息，將位置信息通過usrat通信傳送給stm32f103zet6，由stm32f103zet6完成舵機(jī)的控制。在平板的兩個相互垂直的方向上搭載舵機(jī)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動連動結(jié)構(gòu)，驅(qū)動平板傾斜，利用PID控制算法，從而間接控制了小球完成停留、直線、繞環(huán)等運(yùn)動。

關(guān)鍵詞：滾球控制系統(tǒng) ?圖像處理 ?PID控制

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）07（c）-0082-03

1 ?方案設(shè)計

1.1 控制方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制模塊、攝像頭模塊、圖像處理模塊、電機(jī)及機(jī)械支架構(gòu)成。具體工作過程為：通過攝像機(jī)采集小球的運(yùn)動圖像，在圖像處理模塊對圖片進(jìn)行處理，獲取小球相對于板的位置，將位置信息傳送到單片機(jī)中，利用PID算法進(jìn)行控制，使小球向目標(biāo)位置運(yùn)動[1-2，6]。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

在完成搭建機(jī)械結(jié)構(gòu)之前，在MATLAB上完成了仿真測試，得到了舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與木板傾斜角度之間的關(guān)系[3]。

選用輕便的雪弗板作為底座。用木板作為小球活動平臺。在木板背面固定了3萬個向節(jié)，以實(shí)現(xiàn)木板的傾斜和固定。木板與舵機(jī)之間進(jìn)行做了一個單自由度的關(guān)節(jié)連接。利用舵機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動關(guān)節(jié)運(yùn)動，從而牽動木板傾斜運(yùn)動。

選擇推力足夠大，能夠?qū)崿F(xiàn)快速制動靜止的舵機(jī)。以木板中心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，xy軸各放置一個電機(jī)，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動連動結(jié)構(gòu)工作，控制平板在各個方向上傾斜。

2 ?理論分析

2.1 機(jī)器視覺識別原理

不同顏色的物體在圖像中的RGB信息不同。我們搭建了一個幾種顏色構(gòu)成的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)小球識別及其位置信息的獲取，以便后續(xù)的圖像分割和位置信息計算。

利用OpenCV完成圖像處理[4]。指標(biāo)圓區(qū)域和木板邊緣可以采用紅綠藍(lán)中的任意一種。小球則使用另外的任意一種。這樣可以在RGB分層之后，根據(jù)不同顏色在不同分層中的不同表現(xiàn)來完成區(qū)域分割。

如圖2所示，在長65cm的白色木板上有9個直徑3cm的藍(lán)色圓形區(qū)域。并在木板外的地板上放置了一定寬度的藍(lán)色邊緣帶。使用的小球是深紅的。

攝像頭采集到的圖像中會有部分的地板區(qū)域，利用otsu閾值分割算法完成圖像分割。為了縮短處理時間和提高系統(tǒng)整體穩(wěn)定性，我們降低了處理精度，初步處理之后依然存在部分藍(lán)色邊緣，不是準(zhǔn)確地切割到木板區(qū)域。

對樹莓派采集到的圖像進(jìn)行了RGB三層分離。

在B層中，木板、木板邊緣和指標(biāo)圓區(qū)域都會呈淺色。只有小球會呈深色。因此可以得到小球區(qū)域圖像。通過對處理后的圖像中小球區(qū)域進(jìn)行平均運(yùn)算，可以得到小球的重心位置[2]。

在R層中，木板邊緣和指標(biāo)圓區(qū)域呈深色，而木板和小球都會呈淺色，因此可以完成對指標(biāo)圓區(qū)域的識別。但使用的小球是深紅色的，在實(shí)際檢測過程中呈深色。如果指標(biāo)圓區(qū)域和小球有重疊，不利于我們分離出指標(biāo)圓區(qū)域的邊界，且難以判定小球是否進(jìn)入指標(biāo)圓區(qū)域，直接檢測會增加計算量，降低運(yùn)行效率。

因此把圖像分成9個等面積的正方形，每個正方形區(qū)域里有一個指標(biāo)圓區(qū)域。把除了小球所在區(qū)域的其他區(qū)域里的指標(biāo)圓區(qū)域?qū)ふ页鰜?，再根?jù)等比例計算出最后一個指標(biāo)圓區(qū)域的位置。相鄰指標(biāo)圓區(qū)域中心點(diǎn)的距離為20cm，以此為坐標(biāo)系標(biāo)度尺，定義小球位置坐標(biāo)。

2.2 小球運(yùn)動控制原理

在機(jī)械系統(tǒng)控制中，PID控制算法[5]是一種常用的方法。按照偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制，我們在MATLAB上完成了仿真測試[3]。

目前用于控制點(diǎn)的主要有三種PID算法：增量式算法，微分先行，位置式算法。本系統(tǒng)原計劃是使用通過計算小球位置坐標(biāo)與目標(biāo)位置坐標(biāo)偏差，只調(diào)節(jié)比例（P）、微分（D）的PD增量式算法。但在實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)因?yàn)橄到y(tǒng)設(shè)計中存在一些難以規(guī)避的系統(tǒng)誤差，最終還是加入了積分（I）來調(diào)節(jié)誤差。

3 ?電路與程序設(shè)計

3.1 電路設(shè)計

因?yàn)樵撓到y(tǒng)主要電路是集成好的開發(fā)平臺，因此我們只做了用于選擇系統(tǒng)工作模式的選擇電路。在該電路中設(shè)計了單片機(jī)接口，電機(jī)接口，上拉電阻以及由撥碼開關(guān)構(gòu)成的選通電路，作為模式選擇的電路實(shí)現(xiàn)方案。

3.2 程序設(shè)計

為了提高抗干擾能力、為隨時間處理程序提供時間指標(biāo)，我們利用stm32定時器1產(chǎn)生時基信號，周期是1ms。

開始工作之后，通過模式選擇電路確定工作模式，然后執(zhí)行系統(tǒng)初始化。不同的模式會執(zhí)行不同的指令。接著開啟串口等待數(shù)據(jù)傳輸過來。數(shù)據(jù)以我們自定義的編碼進(jìn)行傳輸，加入了校驗(yàn)數(shù)據(jù)組，有效提高穩(wěn)定性。成功接收數(shù)據(jù)之后，單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動以實(shí)現(xiàn)控制木板傾斜。

4 ?測試結(jié)果與分析

在電機(jī)開始工作后，我們測試木板能否控制小球固定在一個指定區(qū)域內(nèi)至少2s，發(fā)現(xiàn)至少穩(wěn)定5s以上。又控制小球在各個指定區(qū)域之間運(yùn)動和停留一段時間，發(fā)現(xiàn)小球均能夠完成我們設(shè)定的指標(biāo)，因此該系統(tǒng)性能相對穩(wěn)定，基本滿足我們的要求。

5 ?結(jié)語

該系統(tǒng)采用RGB分層來進(jìn)一步完成圖像處理，相對準(zhǔn)確地提取到了小球的位置坐標(biāo)。用各種方法來降低圖像處理的運(yùn)算復(fù)雜度，提高了運(yùn)行效率，對后續(xù)的開發(fā)研究有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王賡. 基于視覺系統(tǒng)的板球控制裝置的設(shè)計與開發(fā)[D].清華大學(xué)，2004.

[2] 武凡凱，付偉，張釜榮，等.基于視覺反饋的板球系統(tǒng)定位控制[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，40（1）：14-19.

[3] 鄢喜愛，楊金民，田華.Matlab在數(shù)據(jù)處理和繪圖中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2006（22）：3631-3633.

[4] 聶紅梅，劉忠艷.基于OpenCV的攝像機(jī)標(biāo)定研究[J].微處理機(jī)，2017，38（6）：58-61.

[5] 張新楠.板球系統(tǒng)的控制算法研究[D].大連理工大學(xué)，2011.

[6] 曾乘，柳強(qiáng).板球系統(tǒng)PID控制響應(yīng)的多項(xiàng)式響應(yīng)面建模研究[J].電子設(shè)計工程，2016，24（16）：28-30.