嵌入式攝像頭OpenMV板球系統(tǒng)設計

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摘要：以OpenMV圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，借助MicroPython語言使其相應IO口輸出PWM，完成了基于串級PID的板球控制系統(tǒng)設計．系統(tǒng)實現(xiàn)了對小球的精確定點和圓周運動控制．測試結(jié)果表明：OpenMV可實時采集小球在平板上的位置并獲取對應的二維坐標；小球能夠按照指定路徑運動，系統(tǒng)抗干擾能力強，反應迅速．

關(guān)鍵詞：板球控制系統(tǒng)；OpenMV；圖像處理；串級PID

0引言

板球控制系統(tǒng)是一個多變量、強耦合的非線性控制系統(tǒng)．與其他經(jīng)典控制系統(tǒng)相類似，其實驗模型通常用于驗證各種控制算法的優(yōu)劣，其中包括智能控制算法、現(xiàn)代控制算法等．已有的板球控制系統(tǒng)因使用多個控制器而導致系統(tǒng)硬件搭建比較困難，且大部分是基于觸摸反饋機制的系統(tǒng)，通過觸摸屏的壓力變化反饋小球的位置信息．其控制方式大多為單環(huán)PID控制，難以精確實現(xiàn)對小球的位置控制，誤差較大，且系統(tǒng)抗干擾能力弱，執(zhí)行器響應較慢．為了解決上述問題，本文設計的板球控制系統(tǒng)硬件部分采用將核心處理器和傳感器合并為一體的OpenMV，不僅簡化了機械結(jié)構(gòu)，同時避免了硬件搭建冗雜的缺陷．在軟件控制算法部分采用x軸-y軸并級的串級PID算法[1]，平板在OpenMV攝像頭中可視為二維坐標系．通過設置速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)，實現(xiàn)了對小球精確的位置控制，同時使該算法的系統(tǒng)抗干擾能力得到了增強，執(zhí)行器的響應速度也得到了優(yōu)化．

1系統(tǒng)總體設計

openmv作為板球控制系統(tǒng)的傳感器和控制器，以STM32H743CPU為核心，集成的OV7725攝像頭芯片作為該系統(tǒng)的圖像處理模塊．另外，MG996R舵機作為執(zhí)行器，7.2V鎳-鉻電池作為執(zhí)行器的總電源，XL4016DC-DC模塊作為舵機的穩(wěn)壓模塊，為舵機提供恒定電壓．首先，利用OpenMV中的傳感器模塊引入攝像頭的感光元件并對相關(guān)參數(shù)進行初始化；接著通過圖像二值化算法確定小球在OpenMV攝像頭中的二維坐標[2]，計算出小球當前位置的偏差與當前小球的速度；然后對此偏差利用串級PID控制算法在OpenMV中進行處理，最終計算得到舵機轉(zhuǎn)動的角度并控制板球的平衡．小球的位置信息可發(fā)送至上位機中進行實時監(jiān)測．圖1為系統(tǒng)設計框圖．

2系統(tǒng)硬件設計

板球控制系統(tǒng)的硬件部分由OpenMV、模擬舵機、穩(wěn)壓模塊等構(gòu)成．本設計使用的OpenMV共有14個定時器，包含2個通用定時器，采用3個I/O引腳用于舵機控制．同時具有全速USB（12Mbs）接口，連接電腦上的集成開發(fā)環(huán)境OpenMVIDE可實時采集OpenMV攝像頭捕捉到的圖像，方便程序運行時監(jiān)控小球的運動情況．圖2為板球控制系統(tǒng)實物圖．綜合本系統(tǒng)的實際需求以及硬件搭建的簡潔性，采用7.2V鎳-鉻電池作為系統(tǒng)的總電源．電池容量為2000mAh，通過XL4016DC-DC模塊將電池電壓轉(zhuǎn)為兩路6V輸出，分別為2個舵機供電．

2.1OpenMV攝像頭

OpenMV攝像頭是一種小型、低功耗、多應用的微控制器板，使用MicroPython語言進行編程．其配備的OV7725圖像傳感器能夠以高幀率拍攝8位灰度圖像或16位RGB圖像，方便在工程應用中使用機器視覺實現(xiàn)相關(guān)圖像的應用算法．

2.2舵機執(zhí)行器

舵機屬于伺服電機，帶有反饋環(huán)節(jié)，可根據(jù)其屬性對伺服電機進行精確的位置控制或者輸出較高的扭矩．本設計采用的MG996R舵機在6V供電下具有11kg/cm的扭矩和0.15sec/60°的控制精度，適用于對控制精度要求較高的板球控制系統(tǒng)．舵機硬件連接共有3根線，分別為VCC、GND和PWM信號線．控制舵機通過接收周期為20ms的PWM信號決定其輸出角度．輸入信號的脈沖寬度與舵機旋轉(zhuǎn)角度呈線性關(guān)系．表1為舵機輸出角度的對應關(guān)系表．

3系統(tǒng)軟件設計

板球控制系統(tǒng)的軟件算法設計主要由小球識別、串級PID構(gòu)成．系統(tǒng)上電后，首先通過按鍵進行模式選擇定點或圓周運動；隨后通過OpenMV機器視覺庫對圖像進行預處理，確定小球在圖像中的x軸與y軸坐標，并與設定點坐標值做差處理，得到小球的位置偏差；再利用幀差分法求出小球速度；最后通過串級PID算法求出平板需轉(zhuǎn)動的角度并向舵機發(fā)送PWM信號，從而維持板球平衡．圖3為系統(tǒng)總控制流程圖．

3.1圖像處理

為了提高機器視覺相關(guān)算法的開發(fā)效率，OpenMV提供了基于圖像處理的MicroPython語言編程接口，內(nèi)置的圖像二值化算法取決于灰度閾值的設置范圍．根據(jù)像素是否在閾值列表內(nèi)，將圖像中的所有像素點設置為黑色或白色，圖4為OpenMVIDE閾值調(diào)試界面圖．系統(tǒng)運行時，首先對視覺庫的sensor模塊進行攝像頭初始化，將其像素模式設置為灰度模式；再利用OpenMVIDE中的閾值編輯器為小球選擇最佳的灰度跟蹤閾值，通過二值化函數(shù)image.binary()對圖像進行二值化處理[3]，即可識別出小球；最后通過逐行掃描白色的像素點算法確定小球的中心位置坐標．圖5為OpenMV二值化圖像處理流程圖．

3.2串級PID

為了解決傳統(tǒng)單環(huán)PID控制響應速度慢、抗干擾能力弱等問題，對于精度較高要求的本系統(tǒng)采用串級PID控制[4]．利用平板在OpenMV攝像頭中呈二維坐標系x軸和y軸，由于運動的獨立性原理，忽略掉球板之間的摩擦力，可將小球的運動分解為相互垂直的兩個方向．因為本設計選取的平板為正方形，兩舵機執(zhí)行器轉(zhuǎn)動角度應設置相同．PID的一般控制規(guī)律為1dedd（1）式中：err(t)是設定值和實際值的偏差，Kp是比例系數(shù)，TI是積分時間常數(shù)，TD是微分時間常數(shù)．由于本設計對實時性要求較高，故設計以下離散化PID控制系統(tǒng)：假設采樣間隔為T，系統(tǒng)輸入量為input(t)，輸出量為output(t)，則在第K時刻的偏差為（2）則離散化PID控制規(guī)律為由式（3）可得，系統(tǒng)的輸出與最近的兩次偏差有關(guān)，此PID控制為位置離散化PID，則速度環(huán)為位置環(huán)與相鄰時間的比值．式中：V為小球的實際速度，err(k-1)為小球上一次誤差，err(k)為本次誤差，為攝像頭兩次檢測小球的時間差．為實現(xiàn)對小球的串級PID控制，首先需要理清系統(tǒng)的輸入輸出以及系統(tǒng)的相關(guān)特征．本次設計的板球控制系統(tǒng)，首先是通過OpenMV機器視覺模塊獲取小球的位置坐標以及幀差分算法計算的小球速度．兩者作為串級PID的相關(guān)輸入或輸出，可得到平板應轉(zhuǎn)動的角度．在控制算法中，采用x軸-y軸并級的串級PID算法[5]．圖6為控制算法的結(jié)構(gòu)框圖．設置小球的速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)，內(nèi)環(huán)將外環(huán)求得的小球期望速度與OpenMV幀差分算法得到的小球速度做差后作為內(nèi)環(huán)的輸入，通過PD控制器獲得舵機轉(zhuǎn)動的角度作為系統(tǒng)最終的輸出．內(nèi)環(huán)控制的主要作用是限制小球速度，故運用PD控制．外環(huán)將輸入的期望坐標與OpenMV圖像處理得到的小球坐標做差后作為系統(tǒng)輸入，通過PID控制器得到小球的期望速度并參與系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)輸入．外環(huán)控制的主要作用是提高小球位置控制的精度，故運用PID控制．

3.3定點及圓周運動

小球的定點控制目標，是將其快速、精確地穩(wěn)定在目標點．通過OpenMV攝像頭檢測小球的當前位置與設定位置的偏差以及小球的運動速度，使用串級PID控制算法，通過調(diào)整合適的PID參數(shù)，輸出平板x軸和y軸傾斜角度所需的控制量，通過執(zhí)行器舵機可實現(xiàn)小球最終穩(wěn)定在目標點區(qū)域．對于小球圓周運動控制算法的實現(xiàn)，可參考圓的參數(shù)方程：（4）式中：，表示圓心坐標；r表示圓的半徑；θ為2π的歸一化值．設置圓心坐標和小球運動半徑，利用OpenMV內(nèi)置的定時器，每秒θ值加一，通過調(diào)整內(nèi)外環(huán)控制器合適的參數(shù)（內(nèi)環(huán)：Kp=0.1，Kd=0.02；外環(huán)：Kp=0.28，Ki=0.04，Kd=0.14），即可保證小球在平板上做圓周運動．

4測試結(jié)果分析

通過對內(nèi)外環(huán)PID相關(guān)參數(shù)的不斷校正，最終板球控制系統(tǒng)可以在定點模式和圓周運動模式之間任意切換．經(jīng)測試，在小球定點控制模式下，小球與最終目標位置的精度偏差最大不超過1cm，穩(wěn)定時間不超過6s．在圓周運動模式中，小球能按照設定圓的參數(shù)完成繞行任務，小球繞行的圓半徑與實際設定的圓半徑偏差不超過1.5cm．經(jīng)過對小球環(huán)繞的多次測試，得出小球繞行一圈的平均時間約為15s．圖7為小球圓周運動效果圖．

5結(jié)語

本設計采用OpenMV作為傳感器和控制器，利用圖像處理和串級PID控制算法完成了對板球控制系統(tǒng)的設計．圖像部分運用對像素的二值化處理可消除外部干擾因素的影響．軟件控制算法使用串級PID相比于單環(huán)PID控制更精確，能夠克服對象非線性特性的影響，通過內(nèi)外兩環(huán)并聯(lián)調(diào)節(jié)增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力．

作者:何俊杰 尹煒 胡柏 姚安權(quán) 陳林 李鑫 單位:常熟理工學院電氣與自動化工程學院