CN207488756U - 一种板球控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种板球控制系统，该系统包括机械部分和控制部分，其中机械部分包括舵机、支架、万向节和滚动板，控制部分包括主控制器、摄像头、从控制器、主显示模块、从显示模块、按键和供电模块；所述主控制器的信号输入端连接至所述按键，所述主控制器的信号输出端分别连接至所述主显示模块和所述舵机的信号输入端，所述主控制器与所述从控制器之间通信连接，所述从控制器的信号输出端连接至所述从显示模块的信号输入端，所述摄像头的信号输出端连接至所述从控制器的信号输入端；所述供电模块为所述舵机、所述主控制器、所述摄像头、所述从控制器、所述主显示模块、所述从显示模块和所述按键供电。该系统结构简单，成本低，实现了小球从任意起点可以到达任意终点的目的，数据处理速率快，精度高。

Description

一种板球控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种板球控制系统。

背景技术

从上世纪八十年代末期开始，国内外已有众多学者把板球控制系统作为研究对象来检验各种控制算法控制效果的优劣，实物阶段是在实际教学研发领域做出实验平台，在实际平台中检验控制算法。如伊朗得黑兰大学的CaroLucas等在CE151板球实验平台上设计的基于遗传内插算法的模糊推理控制器，实现了小球的定位控制；美国伦赛勒工学院(RPI)的K.Craig等开发了基于触摸屏板球实验平台，设计基于线性化模型的状态反馈控制器，但精度不够；美国马里兰大学的Phillip等于2004年研制基于视觉反馈的小球位置的板球实验平台，基于线性化模型设计的小球定位控制器，然而控制效果不是很理想；中科院自动化研究所易建强老师搭建了其位置传感器-摄像机固定在台面正上方并随台面一起转动的板球控制系统实验平台，有利于简化视觉反馈部分的复杂程度，这是至今在板球控制系统研究领域能够检索到的实际控制所能达到最好效果；中国台湾成功大学C.C.Ker所建的球板系统，通过触摸屏采集小球位置，采用两个磁悬浮驱动器产生扭矩驱动平板运动来控制小球位置状态，适用于非线性系统的控制。故对板球控制系统的研究具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种低成本，机械结构较简单，实现一定位置控制目的的板球控制系统，该系统利用机械部分与控制电路部分相结合使滚动板摇晃，实现小球从任意起点可以到达任意终点的目的。

为了实现本实用新型的目的，在此所提供的板球控制系统包括机械部分和控制部分，其中机械部分包括舵机、支架、万向节和滚动板；所述舵机安装于所述支架上，所述滚动板通过所述万向节安装在所述舵机上方；控制部分包括主控制器、摄像头、从控制器、主显示模块、从显示模块、按键和供电模块；所述主控制器的信号输入端连接至所述按键，所述主控制器的信号输出端分别连接至所述主显示模块和所述舵机的信号输入端，所述主控制器与所述从控制器之间串口通信连接，所述从控制器的信号输出端连接至所述从显示模块的信号输入端，所述摄像头的信号输出端连接至所述从控制器的信号输入端；所述供电模块为所述舵机、所述主控制器、所述摄像头、所述从控制器、所述主显示模块、所述从显示模块和所述按键供电。

该系统通过显示屏可直观地观察到小球在滚动板上的位置，然后通过按键控制主控制器的输出信号，通过主控制器输出的信号控制舵机的转动，通过万向节带动滚动板在一定角度内倾斜，改变小球位于滚动板上的位置。该系统结构简单，成本低，实现了小球从任意起点可以到达任意终点的目的。

具体的，所述主控制器为单片机STM32最小单片机系统。STM系列单片机的数据处理速率快，精度高，有利于精确调整。

具体的，所述从控制器为单片机K60。

具体的，所述摄像头为鹰眼摄像头。所拍摄的图像数据更清晰，有利于控制。

本实用新型的有益效果是：该系统结构简单，成本低，实现了小球从任意起点可以到达任意终点的目的，数据处理速率快，精度高。

附图说明

图1为本实用新型的控制方案示意图；

图2为本实用新型的控制系统框图；

图3为本实用新型的电源模块电路图；

图4为本实用新型单片机STM32控制两路舵机的电路图；

图5为本实用新型K60与摄像头连接的电路图；

图6为本实用新型STM32、K60分别与OLED显示模块连接的电路图；

图7为本实用新型多个按键与STM32连接的电路图。

具体实施方式

在此结合附图对本申请所要求保护的技术方案作进一步详细的说明。

参照图1和图2，本申请所要求保护的技术方案为一种板球控制系统，该系统包括了机械部分和控制部分，其中机械部分包括舵机、用于支撑舵机的支架、万向节和滚动板，舵机安装于支架上，滚动板通过万向节安装于舵机的上方，滚动板内放置于小球，舵机带动万向节转动，进而带动滚动板在一定范围内摆动，放置其内的小球随之移动并停于待停位置。控制部分包括用于输出控制信号控制执行器(舵机)的主控制器、用于对板和球进行拍摄，并生产图像信号的摄像头、用于对摄像头所采集到的图像进行图像处理的从控制器、用于显示摄像头所采集到的图像数据的主显示模块和从显示模块、按键和为各功能模块器件提供工作电压的供电模块；主控制器、主显示模块、以及按键均安装在支架上，便于操作；而从控制器、从显示模块、摄像头均安装于支架上方，便于观察数据上。

其中，主控制器为STM32f103vet6构成的单片机最小系统，从控制器为K60，摄像头为 OV7725鹰眼摄像头，主显示模块和从显示模块为OLED显示模块，按键可以采用矩阵键盘，也可以采用独立按键，通过手动按压改变输出主控制器对应引脚的信号。

以上各功能模块的结构及相互之间的具体连接关系如图3-7所示：

本申请所记载的电源模块可以采用任何一种能够提供直流电的恒流电源，如锂电池、蓄电池等，在此本申请所采用的则由两个可调降压电源模块LM2596U1、U4和可调降压电源模块U2MP1584构成，单片机最小系统U3STM32f103vet6，单片机U4K60,两个舵机P1、P2，两个OLED显示模块P3、P4，鹰眼摄像头P5OV7725，三个22μf的电解电容C1、C2、C3，两个四脚开关S1、S2，多个按键S3、S4、S5、S6、S7等组成。

如图3所示，四脚开关S1的2脚接电源的正极+12V，4脚分别接可调降压电源模块U1LM2596的IN+输入端和可调降压电源模块U2MP1584的IN+输入端，当开关S1闭合时，电路导通，否则为开路。加S1的目的是更方便的控制电路通断，免除了需要反复插拔电池的动作，对整个电路的及电池的寿命有好处；可调降压电源模块U1的IN-输入端和可调降压电源模块U2的IN-输入端都接地；电解电容C1的正极接U1的OUT+端，负极接U1的OUT-端；电解电容C2的正极接U2的OUT+端，负极接U2的OUT-端；可调降压电源模块U1和U2的作用为降低电压，将12V的直流电压转变为3.3V及5V来给电路中的器件进行供电。可调降压电源模块U1输出3.3V电压为OLED显示模块，K60，STM32，摄像头OV7725供电；可调降压电源模块U2输出6.6V电压为两个舵机供电。单片机U3STM32的GND端接U1的OUT-端， VCC端接U1的OUT+端，U1的OUT-端接地，以此对单片机U1进行供电；图中舵机P1、P2 的1脚为负极，2脚为正极，3脚为信号端。1脚分别都接地，2脚接可调降压电源模块U2 的OUT+端，以此来为两个舵机进行供电；OLED显示模块P3的1脚为GND端，2脚为VCC 端。P3的1脚接U1的OUT-端，2脚接U1的OUT+端；四脚开关S2的2脚接电源的正极+12V， 4脚接可调降压电源模块U4LM2596的IN+输入端，U4的IN-输入端接地；电解电容C3的正极接U4的OUT+端，负极接U4的OUT-端；单片机U5K60的3.3V端接U4的OUT+端，GND 端接U5的OUT-端，以此用3.3V的电来为K60供电；鹰眼摄像头P5OV7725的2脚为3.3V 正极端，20脚为GND端。2脚接U1的OUT+端，20脚接地，以此提供3.3V的电来为摄像头供电；OLED显示模块P4的1脚为GND端，2脚为VCC端。P4的1脚接地，2脚接U4的OUT+ 端，以此得到3.3V的电来为OLED显示模块P4供电。电解电容C1、C2、C3的作用为滤波，滤除经降压电源模块降压之后直流电源中的杂波，更好的为电路中的器件进行供电，防止因电压波动而产生过电压损坏器件。图中所有需要接地的器件都需共地。此电路部分的作用为经过降压模块降压，滤波之后，为电路中的器件进行供电，以保证各器件处在正常工作的状态。

如图4所示，舵机P1、P2的3端为信号端，P1的3端接单片机STM32U3的PA7口； P2的3端接单片机STM32U3的PA6口。舵机信号端与单片机U3的IO口相接，实现信号的发送和接收，在这里为PWM波的发送和接收。单片机STM32通过调节PWM的占空比来实现对舵机角度的控制，以此来控制滚动板的倾斜程度，使小球滚动以达到目的。

如图5所示，鹰眼摄像头P5OV7725的1脚为D0端，3脚为D1端，5脚为D2端，7脚为D3端，9脚为D4端，11脚为D5端，13脚为D6端，15脚为D7端，17脚为SCL端，19 脚为SDA端；2脚为VCC端，8脚为PCLK端，12脚为V端，18脚为H端，20脚为GND端。P5的1脚接单片机U5K60的PTC0口，3脚接U5的PTC1口，5脚接U5的PTC2口，7脚接 U5的PTC3口，9脚接U5的PTC4口，11脚接U5的PTC5口，13脚接U5的PTC6口，15脚接U5的PTC7口，17脚接U5的PTC9口，19脚接U5的PTC10口；8脚接U5的PTB21口， 12脚接U5的PTB22口，18脚接U5的PTC18口，其余脚为空脚。此电路实现了单片机K60 对摄像头OV7725的驱动及控制，摄像头OV7725得到的图像发送给单片机K60，实现对图像的处理和数据解算。

如图6所示，OLED显示模块P3、P4的1脚为GND端，2脚为VCC端，3脚为DO端，4 脚为D1端，5脚为RES端，6脚为DC端，7脚为CS端。P3的3脚接U3的PA4口，4脚接 U3的PB1口，5脚接U3的PB0口，6脚接U3的PA1口，7脚接U3的PA5口；P4的3脚接 U5的PTD0口，4脚接U5的PTD1口，5脚接U5的PTD2口，6脚接U5的PTD3口，7脚为空脚。此电路实现单片机U3STM32、U5K60分别对OLED显示模块P3、P4的驱动，实现数据及图像的显示，供用户更方便更直观的观测及分析。

如图7所示，按键S3的一端接单片机U3STM32的E0口；按键S4的一端接U3的E4 口；按键S5的一端接U3的C14口；按键S6的一端接U3的D15口；按键S7的一端接U3 的B4口；所有按键的另一端都接地，且需共地。多个按键与单片机STM32的不同IO口相接，使得按不同的按键时可以执行不同的起点-不同的终点，更方便的执行多个不同的程序。

本申请在此所提供的具体实施方式以STM32单片机最小系统为控制核心，利用摄像头进行小球位置检测，单片机K60对摄像头数据进行解算，以小球位置为控制量，形成闭环控制，采用PID控制算法，通过PWM的方式对舵机进行角度调整，进而调整平板倾角，对小球进行实时位置控制，OLED显示模块用于显示小球的位置及位置坐标，按键对小球要到达的目标位置进行标定。

本申请所提供的控制系统能在实验室等小型场所搭建，便于操作。

如图1所示，加号表示小球的给定位置作为正反馈输入给主控制器，减号表示图像处理的结果作为负反馈输入给主控制器，正反馈和负反馈相结合实现了闭环控制，更准确快速的实现小球位置的到达。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的修改或等同替换，只要不脱离本实用新型的技术方案的精神和范围，均涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种板球控制系统，其特征在于：该系统包括机械部分和控制部分，其中机械部分包括舵机、支架、万向节和滚动板；所述舵机安装于所述支架上，所述滚动板通过所述万向节安装在所述舵机上方；控制部分包括主控制器、摄像头、从控制器、主显示模块、从显示模块、按键和供电模块；所述主控制器的信号输入端连接至所述按键，所述主控制器的信号输出端分别连接至所述主显示模块和所述舵机的信号输入端，所述主控制器与所述从控制器之间串口通信连接，所述从控制器的信号输出端连接至所述从显示模块的信号输入端，所述摄像头的信号输出端连接至所述从控制器的信号输入端；所述供电模块为所述舵机、所述主控制器、所述摄像头、所述从控制器、所述主显示模块、所述从显示模块和所述按键供电。

2.根据权利要求1所述的一种板球控制系统，其特征在于：所述主控制器为单片机STM32最小单片机系统。

3.根据权利要求1或2所述的一种板球控制系统，其特征在于：所述从控制器为单片机K60。

4.根据权利要求1或2所述的一种板球控制系统，其特征在于：所述摄像头为鹰眼摄像头。

5.根据权利要求3所述的一种板球控制系统，其特征在于：所述摄像头为鹰眼摄像头。