CN109032041B - 一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，包括底座、电动推杆、万向节、平板和摄像头；平板为方形的平板；平板上设有平板姿态检测传感器；平板作为滚球的支撑平台；电动推杆为2个，2个电动推杆和万向节呈三角形布置在底座上对平板形成支撑；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；底座上设有用于固定所述摄像头的角尺形的支撑杆，摄像头固定在支撑杆的上端部，摄像头位于平板的几何中心的正上方；摄像头用于获取滚珠的方板上的位置数据；滚球控制系统还包括MCU，推杆电机受控于MCU；平板姿态检测传感器与摄像头均与MCU相连。该基于摄像头位置检测的滚球控制系统结构紧凑，易于实施，控制精度高。

Description

一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统。

背景技术

二十世纪80年代末，滚球系统开始作为一种检验及研究控制算法的实验装备流行在国内外。在初期的仿真阶段，1989年，国外研究人员率先应用近似线性模型，实现对滚球系统的控制。国内，清华大学自动系的张乃尧教授等实现了滚球系统的数学建模，针对性的提示滚球系统的三种控制方案：1)T-S模糊控制；2)分层模糊自适应控制；3)三层递阶模糊控制。在实际装置的研究中，2004年，美国马里兰大学教授Phillip研究团队研制了基于视觉反馈的滚球系统实验平台，并研究了滚球的定位控制算法。清华大学设计了模糊控制方法对系统进行控制器设计，实现了滚球在平板上的镇定控制。国内教学设备制作商深圳元创兴科技有限公司和固高科技有限公司也开始制造销售滚球系统实验室教学装置。

滚球系统作为一种多变量、非线性的机械平台，它是球杆系统的扩展，研究的主要问题包括：1)系统的动力学建模；2)传感器的数字图像处理；3)滚球的定点和轨迹控制；4)复杂路径下的道路规划。在滚球系统中，滚球本身不带任何传感器，完全依靠平板的倾斜使其运动，系统存在视觉反馈机构，驱动机构和传动机构滞后，以及摩擦非线性的干扰等因素。这些都对系统控制提出高的要求。由于该系统在动力学、视觉伺服、现代控制理论具有典型性，代表着实际工程中强耦合、多变量、非线性的不确定系统。既能作为一种检验控制算法的标准控制平台，又能作为对不确定系统领域的研究平台。

因此，有必要设计一种新的基于摄像头位置检测的滚球控制系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，该基于摄像头位置检测的滚球控制系统结构紧凑，控制精度高。

发明的技术解决方案如下：

一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，包括底座、电动推杆、万向节、平板和摄像头；平板为方形的平板；平板上设有平板姿态检测传感器；平板作为滚球的支撑平台；

电动推杆为2个，2个电动推杆和万向节呈三角形布置在底座上对平板形成支撑；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；

底座上设有用于固定所述摄像头的角尺形(又称7字形，或倒L形，或Г形)的支撑杆，摄像头固定在支撑杆的上端部，摄像头位于平板的几何中心的正上方；摄像头用于获取滚珠的方板上的位置数据(如图像或直接输出的位置坐标)；

滚球控制系统还包括MCU，推杆电机受控于MCU；平板姿态检测传感器与摄像头均与MCU相连；MCU基于所述的位置数据确定滚珠的位置和运动速度。

MCU还连接有显示屏以及输入设备；输入设备为按键或触控屏，显示屏以及输入设备作为MMI设备，即人机接口设备。

平板姿态检测传感器采用MPU-6050器件，MPU-6050器件为整合性6轴运动处理组件。

所述电机为步进电机，电机的驱动电路为基于P、N互补MOS管的H桥驱动电路。H桥模块使用门电路与MOS管组合方式实现电机正反转、制动及调速控制。

H桥驱动电路包括4个与非门U5A～U5D和4个MOS管Q1～Q4；其中Q1和Q2为P-MOS管，Q3和Q4为N-MOS管；

H桥的上半桥是PMOS管，下半桥是NMOS管。因为P沟道功率MOS管一般不用在下桥臂做驱动电机的作用，H桥一般有两种方案：一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOS管和2个N沟道功率MOS管，另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOS管，图上所用的就是方案一，上桥臂用2个P沟道功率MOS管，下桥臂用2个N沟道功率MOS管。

4个MOS管Q1～Q4组成H桥：Q1和Q2的S极均接直流电源正端VDD；Q1和Q2的D极分别与Q3和Q4的D极相连；Q3和Q4的S极均接地；Q1和Q2的D极分别接步进电机的2个驱动端；

H桥驱动电路具有2个驱动信号，分别是来自MCU的PWM5和PWM7，即该2个控制信号来自MCU的2个IO端口；

PWM5经串联的与非门U5A和U5B接Q1的G极；Q1的G极与Q2的G极短接；

PWM7经串联的与非门U5C和U5D接Q3的G极；Q3的G极与Q4的G极短接；

每一个与非门的2个输入端均短接。

PWM5和PWM7分别经上拉电阻R18和R19接VDD。

与非门采用CD4011器件；

MOS管Q1和Q2采用IRF4905器件；P型沟道MOS管，即PMOS管。

MOS管Q3和Q4采用IRF3205器件。

方板上设有与MCU连接的电阻式触摸屏，滚珠压迫电阻式触摸屏的点为触摸点，电阻屏幕输出触摸点的位置坐标到MCU，该位置坐标与基于图像获得的位置坐标进行融合，可以有效提高位置检测的精度。

摄像头为openmv模块型摄像头，所述的摄像头能直接输出滚珠的位置坐标到MCU。

所述的MCU为STM32F407VGT6主控制模块。

所述的方板为正方形方板，方板的边长为65cm，滚球的直径为1-2.5cm。

采用双闭环控制系统，所述的双闭环控制系统的外环为位置控制环，所述的双闭环控制系统的内环为速度控制环；位置控制环和速度控制环均采用PID控制器。

一种基于双闭环控制的滚球控制方法，控制系统通过基于位置环和速度环的双闭环实现对滚球在方板上的定点和轨迹运动的控制；

所述的位置环以摄像头检测滚球在方板上的位置信息作为反馈信号；

速度环的反馈信号来自对所述位置信息的处理(单位时间内2个点的位移量除以时间极为速度，即v＝△s/△t)；

控制系统的执行机构为2个控制方板姿态的电动推杆；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；

方板由万向节和所述的2个电动推杆支撑；

摄像头固定在方板的正上方；

控制系统为基于MCU的控制系统；

摄像头与MCU相连；电机受控于MCU。

摄像头采用能直接输出目标位置坐标的openmv模块型摄像头。

方板上设有与MCU相连的平板姿态检测传感器，平板姿态检测传感器采用MPU-6050器件，MPU-6050器件为整合性6轴运动处理组件。

MCU与显示屏相连，显示屏用于显示方板的状态数据和滚球的运动数据，方板的状态数据包括方板的倾斜角度，滚球的运动数据包括滚球的位置坐标和运动速度。

所述的MCU为STM32F407VGT6主控制模块。

所述电机为步进电机，电机的驱动电路为基于P、N互补MOS管的H桥驱动电路。H桥模块使用门电路与MOS管组合方式实现电机正反转、制动及调速控制。

采用2种方法融合位置数据以提高滚球位置检测的精度；方板上设有与MCU连接的电阻式触摸屏，滚珠压迫电阻式触摸屏的点为触摸点，电阻屏幕输出触摸点的位置坐标到MCU，该位置坐标与基于图像获得的位置坐标进行融合，可以有效提高位置检测的精度。

位置环和速度环均采用PID控制器。

位置外环的PID参数分别为：P＝3000，I＝100，D＝3100；

最佳伺服环的比例参数P值＝4500。速度内环参数是P＝3000，I＝0，D＝5000。

有益效果：

本发明的基于摄像头位置检测的滚球控制系统，通过动态调整平板的倾角，达到控制平板上滚球的运动状态和位置。其控制对象为平面板，平面板由两个推杆电机驱动，通过摄像头得到滚球在平面板的具体位置后反馈给主控系统，主控系统采用现有的算法推理运算控制平板的转角。从而实现滚球在平板上的轨迹运动控制和定点控制。

本发明的基于摄像头位置检测的滚球控制系统具有以下特点：

(1)采用万向节和2个电动推杆的支撑机构，结构紧凑而简洁；且抗外力自然因素干扰强。根据系统的结构特点，本发明重点设计了传动机构(万向节)和控制系统对执行电机的控制接口电路，使整个系统既能达到精确传动，又具有控制直观、简单、稳定的特点。

(2)采用模块式摄像头，直接输出滚球的位置坐标，简化了软硬件设计，无需进一步图像处理，易于实施；

(3)采用融合算法(如对坐标取平均值等)提高滚珠位置检测精度；

具体的，将摄像头检测的位置信息与电阻触摸屏检测的位置信息相融合，能显著提高检测精度，为控制系统提供数据保障。

(3)采用双闭环控制系统，响应快速，控制精度高。

本发明在运动控制方面，运用系统负反馈控制、PID控制两种系统校正措施，以减小外部干扰的影响，提高系统的稳定性，加快系统的响应及减小系统的越调量。

综上所述，本发明的滚球控制系统结构紧凑，易于控制，检测精度和控制精度高。

附图说明：

图1为基于摄像头位置检测的滚球控制系统的总体结构示意图；

图2为系统电路框图；

图3为H桥驱动电路原理图；

图4为光耦隔离电路原理图；

图5为B1205D降压隔离电源原理图；

图6为AMS1117_3.3降压隔离电源原理图；

图7为陀螺仪MPU6050原理图；

图8为主流程图；

图9为双闭环控制系统示意图；

图10是可调放大倍数的放大器的原理图；

图11是调光电路原理图。

图12为过流保护电路的电路原理图；

图13为恒流充电电路的原理图。

图14为具体应用场景图。

标号说明：1-底座，2-电动推杆，3-平板，4-摄像头，5-滚球，6-万向节。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1-2，系统由STM32主控、推杆电机模块机器驱动、openmv摄像头、电源组成。平面板绕两个转轴的旋转可分别由两个电机驱动，通过摄像头得到滚球在平面板上的位置后反馈给控制系统，控制系统采用角度环和速度环实现对滚球在板上定点和轨迹运动的控制。具体如下：

1.检测部分

(1)平板姿态的检测。平板倾斜姿态的精准检测是控制滚球按照指定的要求在平板上完成各种动作的前提。

(2)滚球状态的检测。题目要求滚球在平板上按规定的路径滚动及在指定的区域停留一定时间，所以需要检测滚球在平板上的位置及运动情况。

2.控制部分

控制部分主要是通过控制平板的驱动电机，实现2个功能，一是调整平板的倾斜角度，使滚球按预设的轨迹运动，二是控制平板的平衡，使滚球在规定的时间内实现在指定区域的稳定停留。

总体思路

使用STM32作为主控芯片，通过摄像头定时拍摄滚球在平台上位置的图像，STM32对图像的像素分析，找出滚球的坐标，最终通过PID输出PWM电机控制信号，得出平台两个转动方向的控制要求。如图2所示。

支撑机构的代替方案为：万向节位置不变，取消2个电动推杆，将两个舵机电机固定到顶板，在上面捆绑上吊线，经过顶板滑轮固定到底板，使底板悬空，通过电机的转动拉动吊线使底板发生倾斜，从而控制管球位置和速度。该方案的优势：舵机反应快，电机运行反转方向时延时小，误差可以忽略，对应算法控制编写较容易，结构简单。

由于系统中使用了摄像头模块，需要有较快的处理速度、较多的I/O口和较大的存储器内存，对开发时间也有限制，所以选择STM32F407VGT6作为主控制模块。

推杆电机是一种将电机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动开环装置。作为执行机构可用于各种简单或复杂的工艺流程中。是一种较为理想的执行机构。这种方案材料易得，平板稳定，但是无法控制行程，需要mpu6050加入第二个控制环。

滚球检测

采用摄像头模块，将摄像头安装于平板上方，使平板区域处于摄像头拍摄范围之内，采集平板图像，摄像头模块采用数字图像处理的方法检测滚球及平板上圆形区域的形状或颜色信息，可以精确定位滚球在平板上的位置，也便于求取滚球的运动信息。摄像头模块对颜色、光照等要求较高，可以通过合理搭配平板、圆形区域及滚球的颜色并控制环境光照等手段来解决。摄像头为带色块跟踪及形状识别功能的OpenMV视觉传感器。

另外，利用电阻式触摸屏实现数据融合，它将矩形区域中触摸点(X,Y)的物理位置转换为代表X坐标和Y坐标的电压。电阻式触控屏的精确度高，可到像素点的级别，屏幕不受灰尘、水汽和油污的影响。

另外，还有一个冗余方案，在前面2个方案的基础上，再加入以下方案作为备用，一旦前述2个方案数据有问题，则采用本方案输出的数据作为检测数据，该方案具体为：在木板X与Y边缘分布大量光电收发二极管，为了实现要求3cm以内的定位，每侧需要60/3＝20个，难度低，但是需要较多的IO口，可以通过FPGA进行接口扩展(现有成熟技术)。

总的来说，本发明使用STM32F407作为主控芯片，通过OPENMV摄像头模块定时拍摄滚球在平台上位置的图像，STM32F427对图像的像素分析，找出滚球的坐标，通过串口发送到主控芯片STM32F407，最终主控通过PID算法输出PWM电机控制信号，控制推杆电机执行，从而得出平台两个转动方向的控制要求。

控制器：由于单片机集成度高、体积小、功能强、使用灵活、价格低、稳定可靠、容易产品化等优点，因而广泛应用于各个领域，如科技领域，家电产品，智能化仪器仪表，工业控制，计算机网络和通信领域，医用设备等。本发明选用STM系列的STM32F407单片机。

电机是将电能转换为动能的一种装置，一般生活接触步进电机和伺服电机居多。

步进电机接收的是PWM信号，动的角度就是根据信号数量转过相应的步距角。步进电机是开环控制，即接收脉冲但不保证一定能转到对应角度。本发明采用推杆电机，它是一种将电机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的电力驱动开环装置。作为执行机构可用于各种简单或复杂的工艺流程中。是一种较为理想的执行机构。

PID控制技术

PID是比例、积分、微分的简称，是一种调节器，是一种通过反馈的思想来减少不确定性的闭环自动控制技术。通过对被控变量实际值与期望值的偏差值来反馈系统的响应。P就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；D就是微分，对输入偏差进行微分运算闭环流程是先测量、再比较和最后执行，在实际项目中，其中关键是比例控制P，积分控制作用消除稳态误差，微分控制作用是加快惯性系统响应速度。它用途广泛，使用者只需设定PID三个参数(Kp，Ti和Td)即可。而在实际应用中,可以只用其中的两个单元，但比例控制P不能少。

本系统采用位置式PID算法来控制步进电机转动的速度。PID算法控制器由滚球位置误差比例P、滚球位置误差积分I和滚球位置误差微分D组成^[6]。PID控制器是根据PID控制原理对整个控制系统进行偏差调节，从而使被控变量的实际值与工艺要求的预定值一致。假定系统给定值为rin(t)，实际输出值为you(t)，根据给定值和实际输出值构成控制偏差e(t)。

e(t)＝rin(t)-yout(t) (1)

PID控制规律为：

摄像头识别技术

摄像头选择的是openmv模块。利用openmv图像识别传感器检测滚球位置坐标。Pixy支持多物体、多色彩的颜色识别，同时也支持多种通信方式，它搭载的图像传感器配合强大的硬件，通过官方的开源色块识别程序，可以将滚球的位置坐标信息快速地发送给微控制器，这大大的简化了程序的复杂性，省去了自己写图像处理部分的事，节省了许多时间。实践中，要做的就是选择和底板颜色相差大的滚球，然后打包数据发送给主控。那既然摄像头作为反馈输出滚球位置信息，那么又是如何实现的呢？预先检测出滚球和平台的LAB值在图像处理，把预先检测到的LAB值作为一个模板，去分辨图像中的滚球和平台，第一次识别滚球的中心点，是y方向从0到Max扫描，再依次增大X方向的值，直到发现滚球的第一个点，此点的Y坐标就是滚球的Y坐标此时X方向扫描X增大Y不变，从中可以得到滚球水平线上第一个点和最后一个点，经计算，很快就能得到滚球的X坐标，以后当滚球运动时以此中心点向两边同时搜索，直到再次找到滚球为此，摄像头不断的向单片机传输图像，可以时刻得到滚球位置。

系统总体框图

使用STM32F407作为主控芯片，通过OPENMV摄像头模块定时拍摄滚球在平台上位置的图像，STM32F427对图像的像素分析，找出滚球的坐标，通过串口发送到主控芯片STM32F407，最终主控通过PID算法输出PWM电机控制信号，控制推杆电机执行，从而得出平台两个转动方向的控制要求。如图2所示。

主控电路采用STM32F407单片机为主控芯片。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。STM32F407具有以下特点：采用ARM 32位Cortex-M4内核，最高时钟频率168MHz，1.25DMIPS/MHz,快速的指令执行速度使主控芯片能够运行复杂的滤波和控制算法。提高控制器的实时控制能力。

本发明使用TFT触摸屏能够实时显示滚球的轨迹以及控制滚球的运动。在设计中主要作为MPU6050的角度显示，以及滚球即时坐标显示。

电机驱动电路

本H桥模块使用门电路与MOS管组合方式实现电机正反转、制动及调速控制。既有较大的输出电流又有类似L298灵活的控制信号逻辑，如图3所示。

干扰处理方法：控制信号光耦隔离，电源尖峰电压抑制。

控制信号逻辑：使用门电路实现类似L298的控制逻辑。

H桥实现方法：使用P、N互补MOS管实现H桥。

电源欠压保护：使用复位芯片实现欠压保护。

光耦隔离

LP281-4是一种晶体管输出光电耦合器，光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起。光耦隔离电路使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的信号干扰，如图4所示。

电源电路

由于电机对整个系统的电压和电流影响很大，干扰系统的正常运行，所以要把主控电路和驱动电路隔离。所选用的B1205D隔离电源能够充分满足控制系统的供电需求，并且把12V电源转换为5V电源，如图5；然后通过AMS1117_3.3把电压转换为3.3V，满足主控芯片的电源需求，如图6所示。

平板姿态检测电路

MPU-6050为整合性6轴运动处理组件，免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。MPU-6050的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec(dps)，可准确追踪快速与慢速动作，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。支持最高至400kHz的IIC总线，如图7所示。系统上电复位后开始初始化各个功能模块，如图8所示。

PID控制以及滚球运动状态分析

以平板中心为原点做XY轴，为了简便只分析一个X轴，那么这就变成了杆球系统，其实滚球控制就是两个杆球控制的叠加。在这个X轴上，滚球只受到自己的重力，即滚球的受力状态就与这个轴的倾斜角度有关系，力代表加速度，即滚球的加速度就与轴的倾斜角度有关系，由于加速度的积分是速度，速度的积分是位置，而本发明的目的就是从位置1到达位置2。

滚球控制系统由于机械结构的特殊性，系统处于非线性的状态，不利于PID的控制，普通单环的PID控制效果较差，所以采用串级PID算法。由于推杆电机非伺服系统，需要加个角度内环，用陀螺仪MPU6050，把它平行粘在平板下方。通过陀螺仪得到平板偏转角，将它与期望值对比得到偏差送入PID控制器，直到消除偏差，而通过这样一个动态过程，能得到相对精确的角度输入与输出的关系。至此最里面的角度环就搞定了，本发明这套串级PID内环是调速度，外环调调位置。调内环时，先调一个轴，将期望速度设为零，给滚球一个初速度，调节内环pid参数使滚球速度尽快为零。调外环时就是设定一个期望位置了位置环

位置环，速度环作为控制系统里面的外环和内环,在逐步稳定各个参量中，首先将预设位置坐标输入控制器，解算位置环的目标差，然后再由位置环输入到电机伺服，驱使滚球速度达到不稳定状态，而速度环负责控制滚球速度为零，当滚球逐渐逼近目标位置时，此时系统控制滚球速度为零，即滚球停下，如图9所示。

摄像头识别

OpenMV是基于Python的嵌入式机器视觉模块，它成本低易拓展，开发环境友好，除了用于图像处理外，还可以用Python调用其硬件资源，进行I/O控制，与现实世界进行交互。用户只需会操作OpenMV IDE开发环境和使用Pythony语言。利用Threshold Editor进行色块的阈值设定，使得摄像头能正确输出位置数据，为现有成熟技术。

串口通讯程序

该部分程序主要实现摄像头模块与控制器模块之间数据的单向传输。即摄像头模块采集的滚球坐标数据通过串口打包发送给主控，主控接收数据同时解码的过程设计。

系统测试及性能分析

滚球系统推杆阶跃响应部分测试数据(伺服环)

表1推杆阶跃响应部分测试数据

分析：在调试最佳伺服环的比例参数P值时，本发明采用了每500ms周期给一个阶跃信号以测试最佳的P值，在上位机通过测量板面角度数据波形得到其中P值4500位最佳，并由于动力机构采用的是12v直流推杆电机，其响应极限在70～80ms左右。另外，速度内环参数是P＝3000，I＝0，D＝5000。

滚球单轴回复运动定点测试部分数据(位置外环)

表2 PID参数

表3偏移误差

分析：在调试最佳位置环的PID参数时，采用了调单轴的方式，即分别调试X轴、Y轴的的位置环参数，记录位置偏移误差，通过数据可以看到，当PID三个参数分别调到3000，100，3100的时候，X轴、Y轴误差最小。说明这组参数相对较好。

测试内容

(1)电机带动平板使滚球保持平衡，记录稳定过程需要的时间以及距中心点的偏差，测量6次。

(2)滚球放置在平板区域1，开始运动到区域5，稳定在区域5，记录稳定所需时间，记录平衡位置与区域5中心位的误差。区域设置为：按方形矩阵排布，三行三列，第一行为区域1,2,3，第二行为区域4，5,6，第三行为区域7,8和9.

(3)控制滚球从区域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，滚球在区域5停留不少于2秒。记录完成所需的时间以及在区域4和区域5停留时间。

(4)在30秒内，控制滚球从区域1进入区域9，且在区域9停留不少于2秒。记录停留时间。

(5)在40秒内，控制滚球从区域1出发，先后进入区域2、区域6，停止于区域9，在区域9中停留时间不少于2秒。

(6)在40秒内，控制滚球从区域A出发、先后进入区域B、区域C，停止于区域D；测试现场用键盘依次设置区域编号A、B、C、D，控制滚球完成动作。

(7)滚球从区域4出发，作环绕区域5的运动(不进入)，运动不少于3周后停止于区域9，且保持不少于2秒。

测试结果

表4区域2内停留不少于5秒

表5 15秒内指定区域移动

表6 20秒内区域分步移动

表7 30秒内区域避障

表8 40秒内区域连续移动

表9 40秒内随机区域移动

表10非指定区域圆周运动

分析：通过对滚球系统的实际7项测试内容进行多次检验，可以看到，系统已能达到全部要求和性能指标，且未出现失败结果，说明系统的稳定性和精度达标。

结果分析

根据上述测试数据，该滚球控制系统已能达到基本部分全部要求和性能指标，由此可以得出以下结论：经过研究者创造性的劳动和调整，最终确定的PID参数基本上可以满足要求，且证明了本设计方案是可行的，而且，精度高，易于口控制，稳定性好，可靠性高。

摄像头处设有环形LED光源和光强传感器，MCU基于光强传感器采集的信号调节光源的亮度；或者通过调节电位器调节光强，从而有利于拍摄清晰的照片，从而获得精确的滚球坐标。

如图10，可调放大倍数放大器包括运算放大器LM393和4选一选择器；

光强传感器的输出端Vin为信号端，所述的信号端经电阻R0的接运算放大器LM393的反相输入端，运算放大器LM393的同向输入端经电阻R0接地，运算放大器LM393的同向输入端还分别经4个电阻R01-R04接4选一选择器的4个输入通道，4选一选择器的输出通道接运算放大器LM393的输出端Vout，Vout接MCU的ADC端；

MCU的2个输出端口分别接4选一选择器的通道选端A和B。

Vout与Vin的计算公式：

Vout＝Vin*(Rx+R0)/R0；其中，Rx＝R01，R02，R03或R04；基于选通端AB来确定选择哪一个电阻；且R01，R02，R03和R04各不相同；优选的R04＝5*R03＝25*R02＝100*R01；R01＝5*R0.可以方便地实现量程和精度切换。

如图11，背光亮度调节电路包括MCU、LED灯串、三极管、电位器Rx和A/D转换器；三极管为NPN型三极管；L型支架上设有旋钮开关与电位器Rx同轴相连；

电位器Rx和第一电阻R1串接形成分压支路，分压支路一端接电源正极Vcc，分压支路的另一端接地；电位器Rx和第一电阻R1的连接点接A/D转换器的输入端；A/D转换器的输出端接MCU的数据输入端口；

LED灯串包括多个串接的LED灯；LED灯串的正极接电源正极Vcc；LED灯串的负极接三极管的C极，三极管的E极经第二电阻R2接地；三极管的B极的接MCU的输出端。电源正极Vcc为5V，A/D转换器为8位串行输出型转换器。

如图12，滚球控制系统还包括用于保护锂电池以及整个系统的过流保护电路，包括运算放大器U1-B、测量电阻R18和升压保护芯片U9；

测量电阻R18串接在汽车启动电源的前端供电回路中；

测量电阻R18的第一端经电阻R39接运算放大器的同相输入端；测量电阻R18的第二端经电阻R36接运算放大器的反相输入端；

运算放大器的输出端与反相输入端之间跨接有电阻R40；

运算放大器的输出端与升压保护芯片U9的反馈端FB相接。

运算放大器的输出端通过二极管D20与升压保护芯片U9的反馈端FB相接；且反馈端FB接二极管D20的负极。

所述的前端供电回路为USB供电回路(通过USB接口为启动电源的储能模块充电)；测量电阻R18的第一端接地(SGND)；测量电阻R18的第二端接USB充电接口J4的负端BAT1-。

运算放大器的型号为LM258ADR，升压保护芯片U9的型号为FP5139，电阻R18、R39、R36和R40的阻值分别为0.01欧姆、1K欧姆、1K欧姆和20K欧姆。

采用的基于运算放大器的电路为反相放大电路，放大倍数约为20倍；增加二极管D20起到防止电流倒灌的作用，即保障单向导通；另外升压保护芯片本身具有短路保护功能，以及升压放电功能，并且能调节输出电流和电压的大小，功能丰富，放大电路和保护IC相结合，能实现电路的过流保护，可靠性高。

滚球控制系统还包括锂电池以及为锂电池充电的恒流充电电路；锂电池用于为整个系统供电。如图13的原理图，各元件或标号说明：

VIN+ -----输入电源正极。VIN- -----输入电源负极。VOUT+ -----输出电源正极。VOUT- ----输出电源负极。VREF+ -----参考电源的正极；C1为输入滤波电容。C2为输出滤波电容。C3为电流采样反馈滤波。R1，R2，R5，C3组成电流采样反馈线路。R3，R4，为电压采样反馈电路。D1为隔离二级管。

一种恒流充电电路，包括恒压驱动芯片和电流反馈电路；(1)恒压驱动芯片的电压输出端为恒流充电电路的正输出端VOUT+；恒压驱动芯片的负输出端接地；恒压驱动芯片由直流电压供电端VIN+和VIN-供电；(2)所述的电流反馈电路包括电阻R1、R2和R5和参考电压端VREF+；参考电压端VREF+通过依次串联的电阻R1、R2和R5接地；电阻R5与R2的连接点为恒流充电电路的负输出端VOUT-；电阻R1与R2的连接点接恒压驱动芯片的反馈端FB。所述的恒流充电电路还包括电压反馈电路；电压反馈电路包括电阻R3和R4以及二极管D1；电阻R3和R4串联后接在恒流充电电路的正输出端VOUT+与地之间；电阻R3和R4的连接点接二极管D1的阳极；二极管D1的阴极接恒压驱动芯片的反馈端FB。在恒流充电电路的正输出端VOUT+和负输入端之间跨接有电容C2。在直流电压供电端VIN+和VIN-之间跨接有电容C1。所述的恒压驱动芯片采用ZTP7192器件。也可以是市场上其他的恒压驱动芯片。如MP1495,MP1593,RT8296,MC34063,FP5138…………。

工作原理说明：采用稳定参考电源作为基准电压，采用R1，R2，R5分压得到与FB相等的电压，从而通过FB去调整DCDC IC的内部PWM而控制输出电流的大小。例如，当输出电流变大，在取样电阻R5上的电压就会升高，由于VRFE+是固定的值，从而是FB电压变大，FB变大，占空比就会减少，从而是输出电流减少，而完成一个完整的反馈，达到稳定电流输出的目的。

Io输出电流与输出电压和输入电压没有任何关系，只与VFB.R1,R2,VREF有关，而这些参数在具体的设计中，它们都是固定的(VFB在稳态时是固定的，对于芯片fp7192恒压芯片，其稳态值为0.6v)，所以K必然为一个固定的值，所以算式：Io＝K/R5具有极好的线性度，及具有优良的可控性。

把上面的参数赋予上面设定的具体值可得：

Io＝(VFB*(R1+R2)-R2*VREF+)/R1*R5＝1.25A；恒压芯片。成本约0.8元

从以上的等式中可以看到，此方案引入固定的VREF+，从而使Io变成一个只与R5取样电阻成线性关系的等式，使Io变成恒定，从而达到恒流的目的。

本方案参考电压恒流法的特点如下：使用稳定固定VREF+电压，便于精度的控制和稳定性控制。使用将电流采样变成电阻分压反馈，更简单可靠。适用性广，任何需要恒流的线路都可以使用。成本大幅降低，例如使用IC恒流方案做12V/1A输出要3元以上,而使用本方案在1元以内。

Claims (1)

1.一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，其特征在于，包括底座、电动推杆、万向节、平板和摄像头；平板为方形的平板；平板上设有平板姿态检测传感器；平板作为滚球的支撑平台；

电动推杆为2个，2个电动推杆和万向节呈三角形布置在底座上对平板形成支撑；2个电动推杆由独立的2个推杆电机驱动；

底座上设有用于固定所述摄像头的支撑杆，摄像头固定在支撑杆的上端部，摄像头位于平板的几何中心的正上方；摄像头用于获取滚珠的方板上的位置数据；

滚球控制系统还包括MCU，推杆电机受控于MCU；平板姿态检测传感器与摄像头均与MCU相连；MCU基于所述的位置数据确定滚珠的位置和运动速度；

MCU还连接有显示屏以及输入设备；

平板姿态检测传感器采用MPU-6050器件，MPU-6050器件为整合性6轴运动处理组件；

所述推杆电机为步进电机，推杆电机的驱动电路为基于P、N互补MOS管的H桥驱动电路；

H桥驱动电路包括4个与非门U5A~U5D和4个MOS管Q1~Q4；其中Q1和Q2为P-MOS管，Q3和Q4为N-MOS管；

4个MOS管Q1~Q4组成H桥：Q1和Q2的S极均接直流电源正端VDD；Q1和Q2的D极分别与Q3和Q4的D极相连；Q3和Q4的S极均接地；Q1和Q2的D极分别接步进电机的2个驱动端；

H桥驱动电路具有2个驱动信号，分别是来自MCU的PWM5和PWM7；

PWM5经串联的与非门U5A和U5B接Q1的G极；Q1的G极与Q2的G极短接；

PWM7经串联的与非门U5C和U5D接Q3的G极；Q3的G极与Q4的G极短接；

每一个与非门的2个输入端均短接；

方板上设有与MCU连接的电阻式触摸屏，滚珠压迫电阻式触摸屏的点为触摸点，电阻屏幕输出触摸点的位置坐标到MCU；

摄像头为openmv模块型摄像头，所述的摄像头能直接输出滚珠的位置坐标到MCU；

所述的MCU为STM32F407VGT6主控制模块；

所述的方板为正方形方板，方板的边长为65cm，滚球的直径为1-2.5cm；

采用双闭环控制系统，所述的双闭环控制系统的外环为位置控制环，所述的双闭环控制系统的内环为速度控制环；位置控制环和速度控制环均采用PID控制器；所述的位置控制环以摄像头检测滚球在方板上的位置信息作为反馈信号；速度控制环的反馈信号来自对所述位置信息的处理；单位时间内2个点的位移量除以时间即为速度，即v=△s/△t；

摄像头处设有环形LED光源和光强传感器，MCU基于光强传感器采集的信号调节光源的亮度；或者通过调节电位器调节光强，从而有利于拍摄清晰的照片，从而获得精确的滚球坐标；

可调放大倍数放大器包括运算放大器LM393和4选一选择器；光强传感器的输出端Vin为信号端，所述的信号端经电阻R0的接运算放大器LM393的反相输入端，运算放大器LM393的同向输入端经电阻R0接地，运算放大器LM393的同向输入端还分别经4个电阻R01-R04接4选一选择器的4个输入通道，4选一选择器的输出通道接运算放大器LM393的输出端Vout，Vout接MCU的ADC端；MCU的2个输出端口分别接4选一选择器的通道选端A和B；Vout与Vin的计算公式：

Vout=Vin*(Rx+R0）/R0;其中，Rx=R01，R02，R03或R04；基于选通端AB来确定选择哪一个电阻；且R01，R02，R03和R04各不相同； R04=5*R03=25*R02=100*R01；R01=5*R0。

Images