CN110716504B - 一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，用于以摄像头作为单一传感器的滚球系统，该滚球系统包括滚球、目标点、平板、摄像头和控制机构，控制机构采用多闭环串级控制方案对滚球的运动进行控制，多闭环串级控制方案以通过摄像头实时获取的数据信息作为反馈，对滚球的运动进行调整，多闭环串级控制方案包括，当滚球与目标点的距离大于预设的第一距离时，采用基于速度环和加速度环的双闭环串级控制，速度环以滚球在平板上的速度作为反馈信号，加速度环以滚球在平板上的加速度作为反馈信号。与现有技术相比，本发明滚球系统运动控制方法易于实施，控制效果好，能够使滚球快速、精确、稳定地到达平板上的目标点。

Description

一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法

技术领域

本发明涉及滚球系统运动控制领域，尤其是涉及一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法。

背景技术

滚球控制系统是一个典型的多变量、非线性控制系统，它通过摄像头或其他传感器采集球的位置、速度等信息，使用特定的滚球运动控制算法来控制执行机构的运行，通过倾斜平板的方式，实现对滚球运动目标和运动速度的控制，从而实现滚球的定位控制以及轨迹跟踪。滚球控制系统是一个研究智能控制算法的典型实验平台，其研究内容涉及图像处理、智能控制、运动控制等，对滚球系统控制方法的研究具有深远的意义。

滚球系统运动控制方法研究始于上世纪八十年代末期，学者们将滚球系统作为验证控制算法的一种平台。滚球系统运动控制方法的研究可以分为两个阶段，第一阶段是在Simulink环境下建立数学模型，进行仿真；第二阶段则是研发滚球控制系统实验平台，在实验平台上验证控制算法。国内，清华大学模糊控制教研组提出了T-S多变量模糊控制方案，开发了基于视觉的滚球控制系统仿真平台；吉林大学的田彦涛教授及其研究生设计了基于扩展卡尔曼滤波的状态观测器，对滚球控制系统中摩擦力状态进行了在线实时估计。国外，美国伦斯勒理工学院通过使用电阻屏来检测滚球的位置，建立系统简化的线性系统模型，设计状态反馈控制器对系统进行控制，取得了一定的效果。

目前的滚球系统大多都依赖于电阻屏或加速度计提供除图像之外的额外反馈，从而建立在此基础上的运动控制算法能够取得一定的效果。但在只有视觉反馈机构的滚球系统中，由于驱动机构与传动机构滞后，以及摩擦不均匀、平板不满足绝对平整等干扰因素的影响，一般的运动控制算法不能够满足对滚球系统进行运动控制的要求。另外，目前的滚球控制系统大多只能够前往固定的预设目标点，或只有固定的一些运动模式，不具有灵活性与机动性，无法实时的按照人们的意愿跟踪动态的目标点。因此，有必要设计一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，将其应用在只有视觉反馈机构的滚球控制系统上，取得较好的运动控制效果。

公开号为CN109062115A的发明公开了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；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。

该滚球控制方法全程通过基于位置环和速度环的双闭环对滚球运动进行控制，没有考虑到滚球的提速，并且该控制方法没有考虑到滚球运动过程中的一些意外情况，稳定性得不到保证。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种灵活性高、机动性高以及控制精度高、稳定性高的基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，用于以摄像头作为单一传感器的滚球系统，该滚球系统包括滚球、目标点、平板、摄像头和控制机构，所述控制机构连接滚球和摄像头，所述控制机构采用多闭环串级控制方案对滚球的运动进行控制，所述多闭环串级控制方案以通过摄像头实时获取的数据信息作为反馈，对滚球的运动进行调整，所述数据信息包括滚球在平板上的位置、速度和加速度，以及滚球距离目标点的距离，

所述多闭环串级控制方案包括，当滚球与目标点的距离大于预设的第一距离时，采用基于速度环和加速度环的双闭环串级控制，所述速度环以滚球在平板上的速度作为反馈信号，所述加速度环以滚球在平板上的加速度作为反馈信号，由此使得滚球在出发时能够快速提速。

进一步地，所述多闭环串级控制方案还包括，当滚球与目标点的距离小于预设的第二距离时，采用基于位置环、速度环和加速度环的三闭环串级控制方法对滚球的运动进行控制，所述位置环以滚球在平板上的位置作为反馈信号，由此严格控制滚球的停留位置以及运动轨迹，从而使小球快速、准确地停在目标点上。

进一步地，所述多闭环串级控制方案采用PID控制器对滚球的运动进行控制。

进一步地，当滚球与目标点的距离小于预设的第三距离，或滚球在平板上的位置距离平板边缘小于预设的第四距离时，采用模糊PID控制器对滚球的运动进行控制，从而保证滚球在目标点附近不会产生大的超调，在平板边缘滚动时不会从板上掉落。

进一步地，所述通过摄像头实时获取数据信息具体为，对摄像头采集的图像依次进行图像预处理、消除预处理误差和目标定位。

进一步地，所述滚球、目标点和平板的颜色两两不同，所述图像预处理包括对摄像头采集的图像进行三值化色彩分割处理，将原始图像进行色彩分割，转换为黑白红三色图像。三值化色彩分割处理，即设置三个静态阈值来对每一个像素点进行色彩分割。

进一步地，所述消除预处理误差包括噪点消除和丢弃错帧。

由于系统控制策略复杂，光照条件不适宜，存在外界干扰等不确定因素，经常会给图像识别带来误差。其中下述两种情况比较常见：(1)平板上没有滚球，但是因为外界干扰读取到了几个黑色像素点，导致系统误以为有滚球存在，因此触发错误的控制动作。(2)由于电路和外界干扰(例如导线接触不良)，系统出现某一帧图像严重失真，表现为图像出现大面积的黑色或红色区域，此时系统计算滚球或红点的坐标会出现极大的误差。

针对上述两种情况，本方法使用了噪点消除和丢弃错帧的方法来消除图像的像素识别误差。

进一步地，所述滚球、目标点和平板的颜色两两不同，所述目标定位具体为通过对每个相同颜色像素点的坐标累加求均值的方法，对滚球和目标点进行定位。

(1)累加：每读取到一个有颜色的像素，就分别将此像素的横、纵坐标累加到相应的求和变量上；同时相应的有色像素数量加1。

(2)求均值：当完成一次所有像素点的遍历后，用求和变量的值除以有色像素点的数量，即可求得平均坐标。

进一步地，所述滚球系统运动控制方法通过对摄像头采集的包含目标点的图像进行三值化色彩分割处理，获取目标点，由此可通过外部设备在平板上照射有颜色的光，形成目标点。

进一步地，所述目标点的个数包括一个或多个。控制器可根据滚球距离每个目标点的距离，依次控制滚球前往这些目标点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明滚球系统运动控制方法通过摄像头实时获取滚球的运动数据信息，当滚球与目标点的距离大于预设的第一距离时，控制机构采用基于速度环和加速度环的双闭环串级控制方法，对滚球的运动的速度和方向进行控制，使得滚球能以合适的速度平稳快速地滚向目标点。

(2)本发明滚球系统运动控制方法在滚球与目标点的距离小于预设的第二距离时，控制机构采用基于位置环、速度环和加速度环的三闭环串级控制方法，对滚球的停留位置和运动轨迹进行控制，使得滚球能平稳、快速地停在目标区域中。

(3)本发明滚球系统运动控制方法在滚球与目标点的距离小于预设的第三距离，或滚球在平板上的位置距离平板边缘小于预设的第四距离时，采用模糊PID控制器对滚球的运动进行控制，模糊PID控制器利用模糊控制规则输出PID参数，从而保证滚球在目标点附近不会产生大的超调，在平板边缘滚动时不会从平板板上掉落。

(4)本发明对摄像头采集到的图像进行三值化色彩分割处理，将原始图像转换成黑、白、红三色图像，经过噪点消除后，使用坐标累加求均值法对滚球和红点进行定位，由此实现使用红色激光笔照射平板，形成红点时，通过对摄像头采集到的图像实时进行三值化色彩分割处理，滚球将一直跟踪平板上的红点，实现控制滚球按照人们的意愿跟踪动态的目标点。

(5)本发明可设置多个目标点，控制机构根据滚球距离目标点的距离，依次控制滚球前往这些目标点并停留片刻。

附图说明

图1为本发明三值化色彩分割处理的流程示意图；

图2为本发明目标定位的流程示意图；

图3为本发明滚球系统运动控制方法的示意图；

图4为本发明基于速度环和加速度环的双闭环串级控制示意图；

图5为本发明基于位置环、速度环和加速度环的三闭环串级控制示意图；

图6为本发明模糊PID控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例为一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，该滚球系统为以摄像头作为单一传感器的滚球系统，该滚球系统包括滚球、目标点、平板、摄像头和控制机构，控制机构包括控制器和执行器，滚球在平板上运动，目标点为采用激光笔照射在平板上的红点，摄像头采集到的图像中主要包含平板，控制器连接滚球和执行器，执行器连接摄像头，通过控制器对滚球的运动进行控制，控制器的控制过程包括图像处理与目标定位，以及滚球系统运动控制两个步骤，这两个步骤实时循环进行，下面对这两个步骤分别进行详细描述：

1、图像处理与目标定位

图像处理与目标定位中包括对获取到的图像依次进行图像预处理、消除预处理误差、目标定位，以及滚球的速度与加速度计算，下面进行具体描述：

1.1、图像预处理

为了小球的速度和加速度计算精确，本方法固定了摄像头的帧率，本方法通过软件编程将摄像头的工作模式设置为：摄像头硬件外部中断触发请求、内部定时器中断处理，通过单片机的定时器中断定期读取摄像头采集的原始图像。

本方法使用摄像头采集正方形区域的图像，即x、y两个方向的像素点个数相等。该正方形区域应包含且主要包含平板。由于在该方法中使用的滚球为深色或黑色，平板为白色，激光笔照射在平板上的点显示为红色，因此本方法对每一帧图像的所有像素点进行三值化色彩分割处理，将原始图像进行色彩分割，转换为黑白红三色图像。

如图1所示，三值化色彩分割处理，即设置三个静态阈值来对每一个像素点进行色彩分割。首先判断当R通道值大于预设阈值threshold1并且G、B通道值之和小于预设阈值threshold2时，判定此像素点为红色；如果不是红色，那么当RGB三个通道值之和大于预设阈值threshold3时，判定为白色；否则，判定为黑色。分割方法可以使用公式1来概括。

式中，color为颜色，red为红色，black为黑色，white为白色。

通过这个方法，就将原始彩色图像处理成了黑白红三色图像。

1.2、消除预处理误差

由于系统控制策略复杂，光照条件不适宜，存在外界干扰等不确定因素，经常会给图像识别带来误差。其中下述两种情况比较常见：(1)平板上没有滚球，但是因为外界干扰读取到了几个黑色像素点，导致系统误以为有滚球存在，因此触发错误的控制动作。(2)由于电路和外界干扰(例如导线接触不良)，系统出现某一帧图像严重失真，表现为图像出现大面积的黑色或红色区域，此时系统计算滚球或红点的坐标会出现极大的误差。

针对上述两种情况，本方法使用了噪点消除和丢弃错帧的方法来消除图像的像素识别误差。

(1)噪点消除：

为了消除图像中可能存在的一些黑色或红色噪点，本方法在软件层面对上述定位算法进行了优化，通过判像素点颜色的跳变来消除噪点。所述的优化方法认为，只有连续出现2个及以上的红色或黑色像素点才会被归类为红色或黑色，否则将被判断为噪点，从而手动置成白色予以消除。

例如：连续的三个像素点颜色为白->黑->白，那么中间那个黑点就被判断为噪点，将会被强行分类为白色。如果三个像素点为白->黑->黑，那么后两个黑点才是有效点，将会被分类为灰色。

(2)丢弃错帧：为了消除严重失真的干扰影响，我们通过计算红色和黑色像素的点个数来判断当前帧是否有效。如果红色和像素点个数小于50或者大于500，则认定这是一个错帧并抛弃此帧，不进行任何控制操作，并重新读取新的摄像头图像数据。

1.3、目标定位

如图2所示，需要定位的对象有两个，黑色的滚球以及红色的激光点。本方法使用对每个有色像素点坐标累加求均值的方法，对滚球和红点进行定位。

(1)累加：每读取到一个有颜色的像素，就分别将此像素的横、纵坐标累加到相应的求和变量上；同时相应的有色像素数量加1。

(2)求均值：当完成一次所有像素点的遍历后，用求和变量的值除以有色像素点的数量，即可求得平均坐标。

在目标定位中，设第i个黑色像素点的坐标为(x_i,y_i)，遍历后一共找到n个黑色像素点，则滚球的坐标(x_ball,y_ball)可以通过公式2计算得到。

同理，设第i个红色像素点的坐标为(x_i,y_i)，遍历后一共找到n个红色像素点，则红色激光点即目标点的坐标(x_red,y_red)可以通过公式3计算得到。

1.4、滚球的速度与加速度计算

由于在本方法中只使用摄像头作为检测器，因此对滚球的速度与加速度计算完全依赖于摄像头。对连续两帧图像中的滚球进行定位，位置的差值即为滚球在当前时刻的速度；同理，对连续三帧图像中的滚球进行定位，得出两个相邻时刻的速度值，速度的差值即为滚球在当前时刻的加速度。

设当前时刻为t，摄像头读取图像的周期为T，当前时刻和前两时刻的滚球位置分别为(x_t,y_t)、(x_t-T,y_t-T)、(x_t-2T,y_t-2T)，则当前时刻和上一时刻的滚球速度(vx_t,vy_t)、(vx_t-T,vy_t-T)可由公式4得到，当前时刻的滚球加速度(ax_t,ay_t)可由公式5得到。

2、滚球系统运动控制

如图3所示，本方法使用了一种多闭环串级控制方法来对滚球系统进行运动控制。(1)在滚球距离目标点较远时采用基于速度环和加速度环的双闭环串级PID控制方法，严格控制滚球滚动速度与方向，从而使滚球在出发时能够快速提速，之后近似匀速地抵达目标点附近。(2)在滚球距离目标点较近时采用基于位置环、速度环和加速度环的三闭环串级PID控制方法，严格控制滚球的停留位置以及运动轨迹，从而使小球快速、准确地停在目标点上。(3)在滚球的运动过程中，根据滚球距离目标点的位置以及滚球相对平板的位置，进行模糊PID控制，从而保证滚球在目标点附近不会产生大的超调，在平板边缘滚动时不会从板上掉落。

2.1、PID控制器

本方法中，对滚球的位置控制、速度控制以及加速度控制都使用PID控制器。

PID控制器由误差比例P、误差积分I和误差微分D组成。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期望的预定值一致。

假定在t时刻，系统被控变量的期望值为r(t)，实际输出值为y(t)，期望值和输出值之差为控制偏差e(t)。

e(t)＝r(t)-u(t) (6)

PID控制规律为：

本方法基于位置、速度、加速度的PID控制器，计算控制器输出u(t)，并输出电机控制信号，通过平板作为执行器，控制滚球的运动。

2.2、基于速度环和加速度环的双闭环串级控制方法

如图4所示，当滚球距离目标点较远时，为了使滚球更快速、准确的接近目标点，提升控制性能，我们采用基于速度环和加速度环的双闭环串级控制方法，从而达到尽快将滚球速度提升起来，让滚球以一个稳定的方向、稳定的速率，平稳地向目标点移动的效果，速度环以滚球在平板上的速度作为反馈信号，加速度环以滚球在平板上的加速度作为反馈信号。

本方法根据滚球到目标点的距离远近，分段设置了几个不同的期望速度，期望的滚动方向则是始终朝向目标点。速度控制器和加速度控制器都使用PID控制。速度反馈与加速度反馈则是使用摄像头作为检测器，通过几帧之间的位移计算得到。

2.3、基于位置环、速度环和加速度环的三闭环串级控制方法

如图5所示，当滚球距离目标点的距离较近时，为了能够使滚球准确、稳定地停留在目标点上，而不是再一味地要求滚球的运动速度，因此这种情况下我们采用了基于位置环、速度环和加速度环的三闭环串级控制方法，控制滚球的停留位置以及运动轨迹，位置环以滚球在平板上的位置作为反馈信号。

若滚球位于目标点周边，则三闭环串级控制方法的目的是让滚球稳定地进入目标区域之内。若滚球位于目标区域内，则三闭环串级控制方法的目的是让滚球的速度减小到0，从而停留在目标区域内。

目标位置为通过单片机按键设置的固定目标点，或通过激光笔照射平板得到的移动目标点。位置控制器、速度控制器和加速度控制器都使用PID控制。位置反馈、速度反馈与加速度反馈则是使用摄像头作为检测器，通过计算得到。

目标点可设置为多个，控制器根据滚球距离每个目标点的距离，依次控制滚球前往这些目标点并停留片刻。

2.4、模糊PID控制

在滚球系统运动控制方法中。单一PID控制的局限性在于，它过于依赖系统精确地数学模型与固定的模型参数。而模糊PID控制方法则具有一定的鲁棒性，能够使PID参数随着被控对象的变化而作相应的调整，进行自我优化，实现较为针对性的控制。

在对滚球的运动控制过程中，本方法在某些情况下同时使用了模糊PID算法，通过摄像头模块采集滚球的位置，对位置环PID控制器的Kp、Ki、Kd进行调整，从而达到滚球运动稳准快的控制效果。

如图6所示，在本方法中，当滚球在靠近平板边缘的区域时，通过模糊控制规则增大位置环比例环节系数Kp，以确保滚球不会滚落平板，同时通过对积分环节系数Ki的上下限进行限制，以减小超调。当滚球在靠近平板中心区域时，通过模糊控制规则减小位置环比例环节系数Kp，以保证滚球尽可能快速停留在目标点，同时增大积分环节系数Ki，以实现精确定位。

3、控制器

本实施例控制器为特定型号的STM32单片机；摄像头与单片机相连，执行机构受控于单片机，执行器采用电机平板。

单片机还连接有显示屏，用于与使用者交互，显示屏上显示有滚球的运动数据、目标点，以及用时情况。

3、参数选型

使用本方法设计具体的滚球系统运动控制方案，选取的参数如下。

3.1、图像预处理参数

摄像头型号为OV7670，帧率固定为50Hz，即20ms更新并处理一次图像。使用的图像分辨率为240*240。三值化色彩分割处理阈值取值如表1所示。

表1阈值取值

阈值1	22
		阈值2	45
阈值3	30

3.2、滚球系统运动控制

双闭环串级控制的期望速度与期望方向如表2所示：

表2双闭环串级控制的期望速度与期望方向

双闭环PID控制参数如表3所示：

表3双闭环PID控制参数

三闭环串级PID控制参数如表4所示：

表4三闭环PID控制参数

3.4、方案效果

使用本方法和上述的参数选型，以四角支撑的步进电机滚球系统作为硬件平台，对这种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制算法进行测试，得到的效果如表5所示。

表5方案效果

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，用于以摄像头作为单一传感器的滚球系统，该滚球系统包括滚球、目标点、平板、摄像头和控制机构，所述控制机构连接滚球和摄像头，其特征在于，所述控制机构采用多闭环串级控制方案对滚球的运动进行控制，所述多闭环串级控制方案以通过摄像头实时获取的数据信息作为反馈，对滚球的运动进行调整，所述数据信息包括滚球在平板上的位置、速度和加速度，以及滚球距离目标点的距离，

所述多闭环串级控制方案包括，当滚球与目标点的距离大于预设的第一距离时，采用基于速度环和加速度环的双闭环串级控制，所述速度环以滚球在平板上的速度作为反馈信号，所述加速度环以滚球在平板上的加速度作为反馈信号；

所述多闭环串级控制方案还包括，当滚球与目标点的距离小于预设的第二距离时，采用基于位置环、速度环和加速度环的三闭环串级控制方法对滚球的运动进行控制，所述位置环以滚球在平板上的位置作为反馈信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，其特征在于，所述多闭环串级控制方案采用PID控制器对滚球的运动进行控制。

3.根据权利要求2所述的一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，其特征在于，当滚球与目标点的距离小于预设的第三距离，或滚球在平板上的位置距离平板边缘小于预设的第四距离时，采用模糊PID控制器对滚球的运动进行控制。

4.根据权利要求1所述的一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，其特征在于，所述通过摄像头实时获取数据信息具体为，对摄像头采集的图像依次进行图像预处理、消除预处理误差和目标定位。

5.根据权利要求4所述的一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，其特征在于，所述滚球、目标点和平板的颜色两两不同，所述图像预处理包括对摄像头采集的图像进行三值化色彩分割处理。

6.根据权利要求4所述的一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，其特征在于，所述消除预处理误差包括噪点消除和丢弃错帧。

7.根据权利要求4所述的一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，其特征在于，所述滚球、目标点和平板的颜色两两不同，所述目标定位具体为通过对每个相同颜色像素点的坐标累加求均值的方法，对滚球和目标点进行定位。

8.根据权利要求5所述的一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，其特征在于，所述滚球系统运动控制方法通过对摄像头采集的包含目标点的图像进行三值化色彩分割处理，获取目标点。

9.根据权利要求1所述的一种基于多闭环串级控制的滚球系统运动控制方法，其特征在于，所述目标点的个数包括一个或多个。

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