CN107632559A - 一种基于图像处理的共平面板球实验系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于图像处理的共平面板球实验系统及其工作方法。本发明所述基于图像处理的共平面板球实验系统，采用“共平面”结构形式，将控制平板二维运动的舵机设置在一个平面上，减小了阿贝误差，减小误差源，实现了平台几何结构零误差；有效克服了堆栈结构的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于图像处理的共平面板球实验系统及其工作方法，属于机电控制的技术领域。
背景技术
板球系统就是在研究控制算法的基础上，通过控制平板的摆动角度和小球速度实现小球在平板上的固定点的定点、自动轨迹及自主避障功能，此系统可用于研究无约束运动的小球在平板上的路径规划和轨迹跟踪，充分实现和验证控制算法的有效性。板球系统对于研究各种智能算法和验证各种控制算法的有效性具有非常重要的意义。
板球系统是一种复杂的非线性、多变量、强耦合的动态机械系统，具有不确定性，它涵盖了大多数工业模型的特性，对于板球系统的控制算法研究，其研究成果同样也可应用于其他工业模型当中。
板球系统本身是一个实验平台，其自身的非线性和多变量特点尤其适应于各种新型控制方法的开发和实验验证，针对板球系统控制取得的一系列成果(对球的位置的检测、预测、跟踪以及定位等)可以被应用到工业、农业、航天等领域，实现了将控制算法从仿真到实际应用的转变。板球系统其独特的实验平台设计结构，在平台上可以实现小球的自主避障、路径规划和轨迹跟踪等扩展设计目的，充分实现和验证控制算法的有效性。
板球系统作为自动化领域的一个非常重要的基础研究项目，不仅有助于学生更好地理解控制理论知识，同时也是学习与研究自动控制、图像处理等专业课程的一个平台，为后续图像处理等专业科研工作奠定了坚实的根基。
1993年，TQ公司最先搭建了板球系统从事该方面的研究，该系统的执行机构为步进电机，通过电机拉动钢索进行传动来控制板面的角度，以CCD摄像头为传感器获取小球位置坐标。清华大学于2001年搭建的板球系统以CCD摄像头为传感器经图像采集卡处理获取小球位置，由步进电机作为执行器通过半球铰和支杆带动木板转动，用单片机控制步进电机运动。伦塞勒工学院2002年设计的板球系统首次采用玻璃材质的触摸屏作为传感器采集小球的位置，其执行器是两个无刷直流电机，传动装置为四连杆结构，推动板面转动。2003年，汉阳大学对板球系统的设计有了进一步的尝试，其执行机构是一个6自由度的机械手，通过对机械手的控制来控制平板的倾斜角度，进而控制小球的运动。马里兰大学2004年完成了板球系统的研制，该系统的执行器为智能电机，通过链条传动控制板面的旋转。吉林大学于2005年搭建的基于视觉的板球系统，通过运动控制卡控制步进电机运动。2006年，Karlsruhe FraunhoferInstitute以多传感器的机器人为平台上进行板球系统实验。该系统的位置传感器为立体摄像机，以此采集小球的位置坐标，系统的执行机构为人形双臂，平板倾斜角度由双臂的运动产生。2008年，谢里夫理工大学实现了新型板球系统；该系统为减少步进电机的失步现象，通过编码器和数据采集卡进行测量，此外执行器位于底座减少了设备的惯性，且刚度高。2010年，上海交通大学设计的板球系统以低廉可靠的摆动气缸位置伺服机构为系统的执行机构，触摸屏为小球位置测量元件。2012年，Rawalpindi国家科技大学每边采用11个低成本的晶体管作为传感器测量小球的位置信息，将板面区域分为121个点。其执行机构用了2个直流伺服电机和1:100的齿轮箱，来降低电机的速度增大其输出力矩。
综上所述现有技术中的板球系统存在的不足还包括：1、板球系统机械结构复杂，而复杂的机械结构会引入过多的误差源，影响控制精度。2、现有技术中的板球系统大多采用步进电机驱动，采用步进电机驱动的缺点是，容易产生共振，难以运转到较高的转速进而获得较大的转矩；在体积重量方面没有优势，且能源利用率低；步进电机超过负载时会破坏同步，高速工作时容易发出振动和噪声。3、现有板球系统多采用一个或多个电机驱动，需要考虑多自由度的控制问题，控制方法复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于图像处理的共平面板球实验系统。
本发明还提供一种上述共平面板球实验系统的工作方法。
本发明的技术方案为：
一种基于图像处理的共平面板球实验系统，包括平台支架、舵机架、平台和ARDUINO控制模块；
所述舵机架通过第一舵机和第二舵机转动设置在平台支架上，所述平台通过第三舵机和第四舵机转动设置在所述舵机架上；所述舵机架的转动方向与所述平台的转动方向相垂直；所述平台上方设置有图像采集处理模块；所述平台的上表面设置有小球；第一舵机、第二舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机和图像采集处理模块分别与ARDUINO控制模块连接。第一舵机和第二舵机控制所述平台的X轴方向运动，第三舵机和第四舵机控制所述平台Y轴方向运动。
舵机自身带有位置反馈电位器作为位置检测，舵机自身所带控制电路根据电位器的反馈电压，与外部输入控制脉冲进行比较，产生纠正脉冲，从而达到精确控制转向角度的目的，因所有舵机均在同一平面上，从而有效减小阿贝误差。采用舵机驱动，具有“无反应区”小，反应迅速，精度高，防抖动，响应速度快，加速和减速时迅速、柔和等优点。
根据本发明优选的，所述平台为白色平板结构，所述小球为黑色小球。板球系统处理的图形是纯黑色小球，背景是纯白平板，因此不需要运用太复杂的轮廓提取方法。
根据本发明优选的，ARDUINO控制模块通过电机驱动模块分别与第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机连接。所述电机驱动模块对ARDUINO控制模块发出的控制信号进行功率放大并实现控制同步。
根据本发明优选的，所述ARDUINO控制模块还连接有键盘模块、液晶显示模块和电源模块；键盘模块通过逐行扫描的方式循环检测输入值。键盘模块用于向计算机输入控制指令信息，并通过逐行扫描的方式循环检测输入值，实现小球的控制指令的输入，然后小球根据控制指令完成定点跟踪、自动寻迹等功能。
根据本发明优选的，所述舵机架为矩形框结构，第一舵机和第二舵机对称设置在舵机架的前后两侧；所述平台为矩形平板结构，第三舵机和第四舵机对称设置在所述平台的左右两侧。
根据本发明优选的，所述ARDUINO控制模块与计算机连接。通过计算机实现上位机的数据存储和处理。
根据本发明优选的，所述图像采集处理模块包括STM32F765VIT6CPU和OpenMV视觉摄像头。
一种上述共平面板球实验系统的工作方法，包括步骤如下：
1)OpenMV视觉摄像头采集图像信息，并将图像信息发送给STM32F765VIT6CPU进行图像处理；STM32F765VIT6CPU对图像进行处理，为轮廓提取提供有效的低数据量图像信息；
2)通过步骤1)得到的图像信息对小球进行轮廓提取；
3)通过霍夫直线检测对图像中的坐标轴进行检测，进而建立平板坐标系；通过霍夫圆检测识别轮廓提取结果中的小球位置信息，并确定小球的实时位置坐标；最后将小球的实时位置坐标发送至ARDUINO控制模块；
4)ARDUINO控制模块将小球的实时位置坐标与设定值进行比较，计算位置偏差并计算相应的控制量；
5)所述的控制量控制舵机转动，控制小球运动到达目标坐标。
根据本发明优选的，所述步骤1)中，STM32F765VIT6CPU对图像进行的处理包括，灰度化、图像锐化、灰度拉伸、滤波和边缘检测。
根据本发明优选的，所述步骤2)的具体步骤为，对二值化处理后的黑白图像，如果某一黑点相邻的八个像素点都是黑点，同时再往外的16个像素点包含白点时，判定该点为目标物体轮廓上的点；当目标轮廓与圆形相似时，判定目标轮廓即为小球轮廓；通过小球轮廓确定小球圆心，为小球定位提供位置信息。
根据本发明优选的，所述步骤4)中的设定值为，通过键盘模块输入ARDUINO控制模块中的小球目标坐标。
根据本发明优选的，所述步骤5)的具体过程为，所述ARDUINO控制模块发出控制量控制电机驱动模块产生四路PWM控制信号，进一步控制舵机的运动。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述基于图像处理的共平面板球实验系统，采用“共平面”结构形式，将控制平板二维运动的舵机设置在一个平面上，减小了阿贝误差，减小误差源，实现了平台几何结构零误差；有效克服了堆栈结构的缺点；
2.根据系统力平衡学，如果驱动力作用方向与导向面不重合，会影响二维定位平台的运动平稳性；本发明所述基于图像处理的共平面板球实验系统，舵机分布采用共平面对称结构，平台在温度变化以及驱动力影响下产生的变形减少，不产生偏摆，容易实现力平衡；实现几何结构方面的零理论误差，消除结构框架由于力、热产生的变形影响；控制方式简单；
3.本发明所述基于图像处理的共平面板球实验系统，配合相应的自动寻迹和自主避障算法，能够实现小球的自主避障和自动寻迹算法的验证；其研究成果可用于工业机器人和卫星定位等领域较复杂的环境，具有良好的经济价值和社会效益；
4.本发明所述基于图像处理的共平面板球实验系统，采用模块化设计，均采用低功耗、低成本、高集成度的微控制器及芯片作为本系统基础；具有功耗低，结构简单的特点；
5.本发明所述基于图像处理的共平面板球实验系统，通过人机操作终端实现测试指令下达、测试过程监视及测试结果显示记录等，显示直观，人机界面友好。
附图说明
图1为本发明所述基于图像处理的共平面板球实验系统的结构示意图；
图2为本发明所述板球控制系统硬件原理框图；
其中，1、图像采集处理模块；2、第三舵机；3、舵机架；4、平台；5、电机驱动模块；6、平台支架；7、ARDUINO控制模块；8、电源模块；9、第四舵机；10、第一舵机；11、第二舵机。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1-2所示。
一种基于图像处理的共平面板球实验系统，包括平台支架6、舵机架3、平台4和ARDUINO控制模块7；
所述舵机架3通过第一舵机10和第二舵机11转动设置在平台支架6上，所述平台4通过第三舵机2和第四舵机9转动设置在所述舵机架3上；所述舵机架3的转动方向与所述平台4的转动方向相垂直；所述平台4上方设置有图像采集处理模块1；所述平台4的上表面设置有小球；第一舵机10、第二舵机、第二舵机11、第三舵机2、第四舵机9和图像采集处理模块1分别与ARDUINO控制模块7连接。第一舵机10和第二舵机11控制所述平台4的X轴方向运动，第三舵机2和第四舵机9控制所述平台Y轴方向运动。
实施例2
如实施例1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，所不同的是，所述平台4为白色平板结构，所述小球为黑色小球。板球系统处理的图形是纯黑色小球，背景是纯白平板，因此不需要运用太复杂的轮廓提取方法。
实施例3
如实施例1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，所不同的是，ARDUINO控制模块7通过电机驱动模块5分别与第一舵机10、第二舵机11、第三舵机2和第四舵机9连接。所述电机驱动模块5对ARDUINO控制模块7发出的控制信号进行功率放大并实现控制同步。
实施例4
如实施例1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，所不同的是，所述ARDUINO控制模块7还连接有键盘模块、液晶显示模块和电源模块；键盘模块通过逐行扫描的方式循环检测输入值。键盘模块用于向计算机输入控制指令信息，并通过逐行扫描的方式循环检测输入值，实现小球的控制指令的输入，然后小球根据控制指令完成定点跟踪、自动寻迹等功能。
实施例5
如实施例1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，进一步的，所述舵机架3为矩形框结构，第一舵机10和第二舵机11对称设置在舵机架3的前后两侧；所述平台4为矩形平板结构，第三舵机2和第四舵机9对称设置在所述平台4的左右两侧。
实施例6
如实施例1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，所不同的是，所述ARDUINO控制模块7与计算机连接。通过计算机实现上位机的数据存储和处理。
实施例7
如实施例1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，进一步的，所述图像采集处理模块包括STM32F765VIT6CPU和OpenMV视觉摄像头。所述图像采集处理模块为京联电子科技公司生产的Stm32 OpenMV3 Cam M7智能摄像头，以STM32F765VIT6CPU为核心，采用OpenMV视觉摄像头，可以直接连接ARDUINO控制模块；在小巧的硬件模块上，用C语言高效地实现了核心机器视觉算法，提供Python编程接口，可以用Python语言使用OpenMV提供的机器视觉功能，捕捉小球的位置信息。视觉摄像头具有分辨率高、抗扰性好、体积小巧、重量轻，反应灵敏迅速等优点。
所述舵机为青岛奇乐有限公司生产的RDS3115数字舵机，其控制方式为PWM脉宽型调节角度，周期20ms，占空比0.5ms～2.5ms的脉宽电平对应舵机0～180°角度范围，且成线性关系。数字舵机具有“无反应区”小，反应迅速，精度高，防抖动，响应速度快，加速和减速时迅速、柔和等优点。通过对舵机的控制实现平台的转动，实现平台上小球的运动。
所述显示模块为标准I2C接口的OLED显示屏。显示模块实现小球的精确坐标和路径规划的显示功能。
实施例8
一种如实施例1-7所述共平面板球实验系统的工作方法，包括步骤如下：
1)OpenMV视觉摄像头采集图像信息，并将图像信息发送给STM32F765VIT6CPU进行图像处理；STM32F765VIT6CPU对图像进行处理，为轮廓提取提供有效的低数据量图像信息；
2)通过步骤1)得到的图像信息对小球进行轮廓提取；
3)通过霍夫直线检测对图像中的坐标轴进行检测，进而建立平板坐标系；通过霍夫圆检测识别轮廓提取结果中的小球位置信息，并确定小球的实时位置坐标；最后将小球的实时位置坐标发送至ARDUINO控制模块7；
4)ARDUINO控制模块7将小球的实时位置坐标与设定值进行比较，计算位置偏差并计算相应的控制量；
5)所述的控制量控制舵机转动，控制小球运动到达目标坐标。
实施例9
如实施例8所述共平面板球实验系统的工作方法，进一步的，所述步骤1)中，STM32F765VIT6CPU对图像进行的处理包括，灰度化、图像锐化、灰度拉伸、滤波和边缘检测。
实施例10
如实施例8所述共平面板球实验系统的工作方法，进一步的，所述步骤2)的具体步骤为，对二值化处理后的黑白图像，如果某一黑点相邻的八个像素点都是黑点，同时再往外的16个像素点包含白点时，判定该点为目标物体轮廓上的点；当目标轮廓与圆形相似时，判定目标轮廓即为小球轮廓；通过小球轮廓确定小球圆心，为小球定位提供位置信息。
实施例11
如实施例8所述共平面板球实验系统的工作方法，进一步的，所述步骤4)中的设定值为，通过键盘模块输入ARDUINO控制模块7中的小球目标坐标。
实施例12
如实施例8所述共平面板球实验系统的工作方法，进一步的，所述步骤5)的具体过程为，所述ARDUINO控制模块发出控制量控制电机驱动模块产生四路PWM控制信号，进一步控制舵机的运动。
Claims (10)
1.一种基于图像处理的共平面板球实验系统，其特征在于，包括平台支架、舵机架、平台和ARDUINO控制模块；所述舵机架通过第一舵机和第二舵机转动设置在平台支架上，所述平台通过第三舵机和第四舵机转动设置在所述舵机架上；所述舵机架的转动方向与所述平台的转动方向相垂直；所述平台上方设置有图像采集处理模块；所述平台的上表面设置有小球；第一舵机、第二舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机和图像采集处理模块分别与ARDUINO控制模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，其特征在于，所述平台为白色平板结构，所述小球为黑色小球。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，其特征在于，ARDUINO控制模块通过电机驱动模块分别与第一舵机、第二舵机、第三舵机和第四舵机连接。
4.根据权利要求1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，其特征在于，包括以下方案的任一项或多项：
(a)所述ARDUINO控制模块还连接有键盘模块、液晶显示模块和电源模块；键盘模块通过逐行扫描的方式循环检测输入值；
(b)所述舵机架为矩形框结构，第一舵机和第二舵机对称设置在舵机架的前后两侧；所述平台为矩形平板结构，第三舵机和第四舵机对称设置在所述平台的左右两侧；
(c)所述ARDUINO控制模块与计算机连接。
5.根据权利要求1所述的基于图像处理的共平面板球实验系统，其特征在于，所述图像采集处理模块包括STM32F765VIT6CPU和OpenMV视觉摄像头。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述共平面板球实验系统的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：
1)OpenMV视觉摄像头采集图像信息，并将图像信息发送给STM32F765VIT6CPU进行图像处理；STM32F765VIT6CPU对图像进行处理，为轮廓提取提供有效的低数据量图像信息；
2)通过步骤1)得到的图像信息对小球进行轮廓提取；
3)通过霍夫直线检测对图像中的坐标轴进行检测，进而建立平板坐标系；通过霍夫圆检测识别轮廓提取结果中的小球位置信息，并确定小球的实时位置坐标；最后将小球的实时位置坐标发送至ARDUINO控制模块；
4)ARDUINO控制模块将小球的实时位置坐标与设定值进行比较，计算位置偏差并计算相应的控制量；
5)所述的控制量控制舵机转动，控制小球运动到达目标坐标。
7.根据权利要求6所述的共平面板球实验系统的工作方法，其特征在于，所述步骤1)中，STM32F765VIT6CPU对图像进行的处理包括，灰度化、图像锐化、灰度拉伸、滤波和边缘检测。
8.根据权利要求6所述的共平面板球实验系统的工作方法，其特征在于，所述步骤2)的具体步骤为，对二值化处理后的黑白图像，如果某一黑点相邻的八个像素点都是黑点，同时再往外的16个像素点包含白点时，判定该点为目标物体轮廓上的点；当目标轮廓与圆形相似时，判定目标轮廓即为小球轮廓；通过小球轮廓确定小球圆心，为小球定位提供位置信息。
9.根据权利要求6所述的共平面板球实验系统的工作方法，其特征在于，所述步骤4)中的设定值为，通过键盘模块输入ARDUINO控制模块中的小球目标坐标。
10.根据权利要求6所述的共平面板球实验系统的工作方法，其特征在于，所述步骤5)的具体过程为，所述ARDUINO控制模块发出控制量控制电机驱动模块产生四路PWM控制信号，进一步控制舵机的运动。
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