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哈尔滨工业大学(威海)信息与电气工程学院 董书航 王 超 刘振国
导语：随着科技的发展，对某一运动物体的精确控制成为工业生产以及自动化控制的要点，本设计能够实现在一定范围内对某一运动物体的精确控制以及位置捕捉，利用摄像头的采集、K60单片机的智能控制以及舵机连杆的控制系统，仅在控制底板的前提下，可以实现小球在平面板上的任意运动。本系统对于工业上需要精确控制的场合有一定的参考和实用价值。关键词：控制；摄像头；舵机；滚球；单片机1 系统方案
海马ゆう
本系统的硬件电路主要由单片机控制模块、摄像头采集模块、运动系统部分、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。1.1 单片机的论证与选择
方案一：STC 公司出产的STC15F2K60S2单片机。ST-C15F2K60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟的单片机，是高速新一代8051单片机，内部集成专用复位电路，2路PWM ，针对电机控制，强干扰场合，并且价格低廉。但是此芯片频率较低，性能很弱，数据量大时速度难以满足要求，无法承担复杂的运算及显示。而且其功能单一，片内资源匮乏，且需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。
方案二：意法stm32f103zet6。此芯片为ARM 32位的Cor-tex-M3，具有最高72MHz 工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ 并可进行单周期乘法和硬件除法，性能优越，编程简单，io 口及片内硬件资源丰富，可轻松进行大量的运算。但缺点是价格较高，而且对于摄像头等高速器件处理能力较差，难以应付大量的复杂运算。
方案三：kinetis MK60单片机，此芯片为ARM32位的cor-tex-M4内核，具有最高180MHZ 的工作频率，具有硬件浮点单元，可进行快速单精度浮点运算。性能强大，编程简单。配合CMSIS 的DSP 算法库可轻松实现如FFT 等功能，可以轻易应对大量复杂计算，并且不需要专用的仿真装置，可以非常方便的进行仿真模拟。片内资源丰富，io 口充足。缺点是价格较高。
灭蚊机综合以上三种方案，选择方案三（图1）。1.2 摄像头采集的论证与选择
方案一：采用两个CCD 线性光学传感器。CCD 光学传感器可以扫描一列的光学信号，采用两个CCD 传感器即可交叉获取小球的X 轴及Y 轴坐标，从而完成小球的定位。但是难以完成两个传感器的安放与固定，并且存在响应检测速度慢，平板的边
缘检测精度不高等问题。图1 单片机系统电路
方案二：普通黑白摄像头。黑白摄像头经过硬件二值化后可以轻易分辨整个板子的全貌，区分板子与小球并且完成定位，功能齐全，速度较快，可以实现题目的各项要求。但是由于只能识别单，故采集信息单一，扩展性差。
方案三：彩摄像头。彩摄像头采集的信息非常丰富，可以识别板面上的颜信息，通过颜辅助小球定位，可以较好的达到抗畸变和识别精度的问题，可以实现各种各样的功能，缺点在于采集的信息量大，对于算法和单片机的处理速度均有较高的要求，而当前采用的单片机仍然难以完成采集和处理。
综合以上三种方案，选择方案二。1.3 运动系统的论证与选择
方案一：采用直线电机或者步进电机配合丝杆。此方案的机械结构和控制方式较为简单，通过直线电机抬升和降低板子的高度，控制较为方便，运算工程量较少。缺点在于此结构的运动速度较慢，存在无法及时调节板子的倾斜角度的问题。
方案二：采用舵机配合万向杆。此方案机械结构和控制方式略微复杂，用万向杆将舵机的转动转化为板子高度的变化，运动速度较快，响应及时，调节范围和精度均能满足要求，缺点是控制困难，而且舵机角度变化和板子高度变化并非线性关系，需要进行计算和换算。
怎么自制纳米胶带综合以上两种方案，选择方案二。
2 系统理论分析与计算
2.1 小球的定位与控制
由摄像头采集小球的当前坐标，设定目标地点的坐标，确
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定相对坐标，和当前小球坐标做差，得到水平方向与垂直方向
97ssw的两个误差，然后用误差带入PID函数，分别计算控制两个轴的两个舵机的参数，然后换算得到相对于舵机中值的增量PWM 值，控制舵机调节平板的运动状况。
2.2 目标点位置的确定
方案一：直接在白板上用黑颜料标定多个目标点的位置，这样做的优点是，即使摄像头发生偏移或是采集数据出现了误差，仍然能准确的确定目标点位置，缺点在于采用黑白摄像头时，难以区分目标点与小球，造成误判。
方案二：用软件直接存储目标点的坐标，优点是摄像头需要采集的数据仅有小球的位置，清晰明了，程序容易处理和识别。缺点在于抗干扰性较差，小球的位置容易与目标点出现一定的偏差。
综合考虑软硬件的情况，方案二较为容易实现，摄像头带来的误差可以采用滤波以及各种图像纠正算法解决，经过测试效果良好。
3 电路与程序设计
3.1 系统总体框图
图2 系统总体框图
3.2 电源部分电路原理图
图3 电源部分系统电路
电源由电池、稳压部分组成。为整个系统和单片机提供稳定5V与3.3V电压，确保电路的正常稳定工作。这部分电路比较简单，都采用稳压管与稳压芯片实现，故不作详述。
3.3 其他外设部分电路原理图
图4 其他外设电路
3.4 程序功能描述与设计思路
根据设计要求，程序主要实现对摄像头信息的采集和处理、舵机位置的控制、数据的显示和按键的输入几方面。
阻塞密度
摄像头的采集和处理部分主要负责定位在板面上的小球，将小球位置转化为XY的坐标值供程序进一步处理。小球的质心可以采用质心算法进行计算，也可直接求中点坐标，二者差别不大，为减少运算量，采用求中点的方式来求小球的质心坐标。
舵机位置控制主要由PID算法实现，将目标位置和小球当前位置进行比较处理，从而计算出舵机的打角方向与大小，通过机械传动进而控制平板的倾斜方向，使小球在重力的作用下滑向指定位置。
显示与输入：数据显示主要由LCD显示屏承担，可以显示小球运动的各项参数，还可以显示摄像头采集的数据，显示系统的当前运行状态等。输入部分由按键实现，按键检测采用中断或者轮询的方式，负责调节程序的参数以及实现各项功能。
3.5 程序流程图
图5 程序流程图
4 结论
煅烧石油焦本设计实现了摄像头对物体位置及运动状况的采集和处理，进而控制机械结构做出相应的动作。稍加改动即可应用于许多需要精确控制的场合。相比于传统识别方式，摄像头具有采集信息量大，识别范围广，灵活多变等优点。必将在未来得到广泛的应用。
指导老师：姚统，哈尔滨工业大学(威海) 718创新实验室教师。
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