滚球平衡控制系统方案的设计
基于STM32滚球控制系统的分析与设计
基于STM32滚球控制系统的分析与设计作者：刘志娴江敏来源：《数字技术与应用》2017年第12期摘要：本设计是基于STM32F407单片机设计的滚球控制系统，本系统主要由图像采集与处理模块、液晶显示屏驱动模块、矩阵键盘模块、电源稳压模块等构成。
本系统通过OV2640摄像头采集图像数据以此判断滚球的位置，并结合PID算法来控制调节舵机进而实现小球停在目标位置。
为了方便调试和复测，系统采用矩阵键盘的模式。
通过对本系统的软硬件的实际测试，其能稳定地运行，到达了预期的目标。
关键词：STM32F407；OV2640；PID中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）12-0017-021 系统方案设计原理1.1 设计原理本设计主要由四个部分组成，分别是图像采集与处理模块、平板驱动模块、矩阵键盘模块、电源稳压模块，系统设计框图如图1所示。
图像采集与处理模块作为本系统的最核心，主要是利用图像传感器完成对小球位置的采集和对图像进行二值化处理；平板驱动模块是通过PWM对电机的驱动完成对平板的驱动，使小球运动到指定位置；矩阵键盘模块是通过对主芯片的控制来改变对小球目标位置的控制；电源稳压模块是提供给芯片，舵机等稳定电源。
1.2 电源稳压设计在此系统中运用到的电源可能不稳定，需要性能较好的稳压模块。
目前小功率的直流稳压电源模块有很多，主要有线性稳压和开关稳压电路，大多数采用线性集成稳压器，因此设计的主要任务是选择合适的集成稳压器及整流滤波参数。
本设计采用的是三端固定输出集成稳压器CW7800。
CW7800集成稳压器内部电路组成框图如图2所示，它由调整电路、保护电路、比较放大、基准电压、启动电路、取样电路等部分组成。
启动电路是电路有输入电压UI时，利用UI 对稳压器自身快速建立一个输出电压UO，使稳压器工作。
在取样电路中，利用电阻对输入电压进行分压，由于分压电阻是固定的，则输出电压UO是固定的；保护电路对稳压器起到保护作用。
小球滚动控制系统的设计与实现
所示。
方 案三 ： 采用 Ｔ Ｉ 公司的 ｌ ６位 ＭＳ Ｐ ４ ３ ０ Ｆ ２ ０ １ １单 片 机 。此单 片机 体 积 不 大 、 系统 的 时钟 频 率最 高可
达４ ９ ＭＨ ｚ ， 并 且 功 能较强 ， 在集 成度 、 兼容 性及 性价
比方 面都 表 现 出 明显 的优 势 ； 但 ＭＳ Ｐ ４ ３ ３ ０ Ｆ ２ ０ １ １内 部 只集 成 了模 数 Ａ ／ Ｄ转 换 器 ， 没有数模 Ｄ ／ Ａ转 换 器 。所 以外 围 电路 必 须 加 上 １ ２位 Ｄ ／ Ａ。这 样 电路 变得 复杂 ， 给 编程 带来 困难 。 综合 以上 三种 方案 ， 选择 采用 方案 一 。
Ｉ ． ２ 电机 驱动 模块 的论 证与 选择
图 １ 系 统 组成 框 图
方案一 ： 采 用 直 流 电机 。直 流 电机 控 制 相 对 简
１ ． １ 核 心 控制 模块 的论 证 与选 择
单， 但 是定 位精 度不 高 ， 可 用 于对 速 度 要 求 高 ， 而对 位 移定 位不 高 的系统 。
方案一： 采 用 红 外 测距 模 块 。红 外 测 距 电路 简
作 者 简介 ： 刘 佳 （ １ ９ ８ ３ －） ， 女， 山 西 大同人 ， 讲师， 太原理 工 大 学在 读博 士研 究生 ， 主要 从 事 通信 与 信 息 系统 的教 学研 究 。
滚球控制系统的设计
滚球控制系统的设计作者：刘宝民方士博赵海博耿春丽来源：《电子技术与软件工程》2018年第12期摘要滚球控制系统以stm32单片机为主控模块，使用oled显示屏显示当前数据参数，使用openmv摄像头观察小球的运动，并将小球的实时位置传回主控，然后主控给予指令，舵机结合PD算法进行工作，使白板倾斜，从而让小球达到主控给定的位置。
【关键词】stm32单片机 openmv摄像头舵机PD随着当前科技电子的进步，逐渐兴起了一批新型电子。
文献[1]进行了模糊控制和传统的PD和PID算法的研究;文献[2]研究了解耦自适应模糊多层滑模控制方法能够有效解决非线性系统的不确定性、强耦合和外部干扰等问题;文献[3]对视觉的板球控制系统进行研究，并取得了很好的控制效果。
基于2017年全国大学生电子设计竞赛的滚球控制系统的设计要求，该设计不仅可以调动大学生学习电子知识的积极性，而且可以普遍提高人们对电子商业的重视，还可以补充大学生动手实践能力不足的缺陷，最重要的是能够让大学生认识到团队的重要性，培养团队协作的意识。
1 系统总体设计本系统首先给单片机一个指令，如将小球运动到白板某一位置，然后openmv摄像头锁定这个位置，再将这个位置返回给主控，主控给舵机指令，舵机运动，使小球运动，同时，PD 算法也运行起来，使小球不会掉下白板，并最终稳定的停在指定位置。
本系统经过软硬件实际调试之后，能够实现基本目标。
2 系统结构2.1 系统机械结构系统的底层支架是一块大木板，白板在木板的上15cm处，白板正中央由一支碳素杆加一个万向轮固定，一个舵机固定在碳素杆的左方（定为x轴），一个位于第一个舵机和万向轮的垂直平分线上（定为y轴），openmv摄像头固定在空心的铁棒上，距离白板大约60cm，下面用两根铁棒固定在木板上，按键、单片机和oled显示屏固定在木板上。
2.2 系统硬件结构本文涉及的滚球控制系统包括单片机控制模块、openmv摄像头模块、显示模块、按键、舵机模块、电源模块等组成。
基于STM32微控制器的滚球系统设计.doc
滚球控制系统摘要滚球控制系统由机械部分和控制系统构成，其中机械部分包括摄像头支架、舵机拉杆、万向节以及平板等；控制部分主要由两个STM32最小系统、NRF24L01、摄像头以及舵机组成。
该系统以STM32单片机为控制核心，利用摄像头检测小球在平板上的位置，经过NRF24L01传输给下面的单片机控制舵机，采用PD控制算法，通过输出PWM对舵机进行角度调节，驱动舵机调节平板的偏角，使小球在平板上稳定或做相应运动，从而对小球进行实时控制。
关键词：滚球系统，摄像头，STM32, PWM, PD算法AbstractThe rolling ball system is mainly composed of a mechanical part anda control system, wherein the mechanical part comprises a camera bracket,steering rod, cardan joint and flat; control part is mainly composed of two STM32 minimum system, NRF24L01, camera and steering components. The system uses STM32 microcontroller as control core, using the camera to detect the ball on the plate position, through the NRF24L01 transmission to the microcontroller to control the steering, the PD control algorithm, by adjusting the output angle of PWM actuator drive angle servo adjusting plate, make the ball or do the corresponding motion on the plate, and the ball.Time controlKeywords: Rolling Ball system, Camera, STM32, PWM， PD Algorithm基于STM32微控制器的滚球系统设计1系统方案本系统主要由CPU模块、、小球坐标定位模块、电机驱动模块、LCD显示模块等组成，下面分别论证这几个模块的选择。
滚球控制系统设计报告最终版
滚球控制系统设计报告最终版摘要：本设计报告旨在介绍滚球控制系统的设计过程，该系统用于控制滚球机器人在特定环境中的移动。
在设计过程中，我们考虑到滚球机器人的移动速度、稳定性和导航能力，并分别设计了机械、电气和软件控制系统。
最终，我们成功地实现了一个功能完善的滚球控制系统，并且在实验中取得了良好的效果。
本报告将详细介绍系统的设计原理、方案选择、实现过程和测试结果。
1.引言滚球控制系统是一个用于控制滚球机器人在特定环境中移动的系统。
该系统需要保证机器人能够在不同路面上平稳行驶，并且可以根据需要进行位置和方向调整。
为了实现这个目标，我们综合考虑了机械、电气和软件方面的设计。
2.机械设计在机械设计过程中，我们选择了一个轻量、坚固和耐磨的材料，用于制作机器人的车身结构。
我们设计了一个滚动球轮和悬挂系统，以保证机器人在不平整路面上的稳定性。
此外，我们还添加了一些传感器，用于检测机器人的姿态和周围环境的特征。
3.电气设计在电气设计过程中，我们选择了一些高质量的电子元件，用于驱动滚球机器人的运动。
我们使用了一个电机控制器来控制机器人的速度和方向，并通过编码器来检测轮子的转动情况。
此外，我们还添加了一些传感器，用于感知机器人周围的环境。
4.软件设计在软件设计过程中，我们使用了一个基于PID控制算法的控制器，来实现对滚球机器人的位置和方向的控制。
我们通过读取传感器的数据，计算出机器人当前的位置和方向，并根据目标位置和方向进行调整。
我们还使用了一些图像处理算法，用于检测机器人周围的障碍物和路面特征。
5.实验结果与分析通过实验，我们验证了滚球控制系统的性能和稳定性。
我们对机器人在不同地形上的移动进行了测试，并评估了系统在不同环境下的导航能力。
实验结果显示，该系统能够实现精确的位置和方向控制，并能够适应不同路面的变化。
6.结论通过本次设计，我们成功地实现了一个功能完善的滚球控制系统，该系统具有良好的速度、稳定性和导航能力。
滚球平衡控制系统方案的设计
滚球平衡控制系统方案的设计摘要：该滚球控制系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，通过OV7670摄像头对小球的位置和速度进行采集，通过MPU6050六轴姿态传感器对平板的角度进行测量，采用42步进丝杆电机作为执行机构。
电机与平板通过弹性绳铰接，带动平板运动。
系统整体由12V/10A开关电源供电，通过线性稳压芯片获得+5V、+3.3V两路辅助电源输出。
人机交互由液晶显示屏和按键组成，对系统关键参数和题目要求进行显示。
两环PID联级后在X方向和Y方向耦合，很好得实现了各项，另外小球还可以跟踪触摸屏所触摸的对应位置。
关键词：STM32单片机；MPU6050；步进电机；非线性串级PID算法1.系统方案本系统主要由STM32主控单元、OV7670图像采集单元、人机交互单元、MPU6050姿态传感器、丝杆电机执行机构、辅助电源模块六个部分组成。
下面分别论证这几个模块的方案选型。
1.1主控制器件的论证与选择方案一：采用传统的51系列单片机。
51单片机年代久远，资源有限，运算速度慢，难以完成题目要求。
方案二：采用32位嵌入式芯片STM32F103系列嵌入式芯片是Cortex-M3内核的32位ARM微控制器，外设丰富，应用广泛。
STM32F103微控制器可较好的承担起各种运算，完成相应功能。
综合考虑采用方案二。
1 .2机械结构的论证与选择方案一：采用直流电机加悬挂系统板球系统可采用悬挂机械结构搭建。
但其存在平板自旋、软绳只能提供拉力等缺点。
方案二：采用步进电机加底推系统采用丝杆步进电机来作为驱动单元，底推系统将平板和电机连为一体，属于刚性连接，运动性能好，不易晃动。
步进电机精度高，控制简单，适合于精确控制场合。
综合考虑采用方案二。
1.3系统传感器的论证与选择1.3.1小球位置获取传感器的选取方案一：采用电阻触摸屏电阻触摸屏对于平板尺寸为650mm*650mm，实际中很难找到尺寸相当的触摸屏，多个屏幕拼接又会产生控制死区。
滚球控制系统设计报告
2017年全国大学生电子设计竞赛设计报告滚球控制系统（B题）【本科组】摘要：本系统采用STM32F103ZET6最小系统板为控制中心，利用OV7670摄像头、显示器、按键、S010舵机、小球、万向节、平板支架构成滚球控制系统。
单片机利用摄像头采集到的数据，确定小球的位置坐标，通过PID闭环控制舵机PWM输出打角拉动支撑杆，控制平板倾斜度达到小球滚到指定区域停留等状态。
控制系统采用PID算法组成闭环控制系统具有很好的稳定性，此外通过TFT显示屏显示小球位置，各个功能的实现可以通过按键输入。
一、系统方案本系统主要由单片机控制模块、摄像头模块、LCD显示屏模块、电源模块、舵机及平板机械支架构成组成。
STM32作为滚球系统的控制核心，利用摄像头采集过来的数据通过黑白二值化，以此判别平板和黑色球并显示在LCD上。
摄像头对滚球准确定位，确定其坐标位置，同时记录平板规定的9个区域坐标，单片机通过返回的坐标位置结合PID算法，给定舵机PWM输出形成闭环控制系统，从而控制小球去到指定区域保持平衡。
同时，可通过矩阵按键选择功能模式，与设计任务一一对应的，系统的总体方案框图见图1。
图1 系统总体方案框图1、主控制器件的论证与选择方案一：采用STC89C52单片机作为控制模块的核心。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
但其能使用的I/O 口很少，ROM空间不足，不适合采用STC89C52为主控芯片。
方案二：采用STM32103FZET6单片机为主控器。
STM32运行速度快，片上资源丰富，具有很多外围接口，可拓展性强，灵活性高。
完全可以实现本系统的各个设计任务，具有良好的响应速度。
通过比较，我们选择方案二。
2、滚球控制系统方案选择方案一：采用MPU6050三轴陀螺仪。
利用三轴陀螺仪可以算出平板的当前位置姿态，具有测量精确、结构简单等优点，但考虑到小球需要到平板指定的9个区域，MPU6050传感器很难确定其准确位置，可靠性差。
基于图像处理的滚球控制系统设计
基于图像处理的滚球控制系统设计作者：傅雨亭高淳楠来源：《科技创新导报》2019年第21期摘 ; 要：滚球控制系统搭建了一个几种不同颜色构成的视觉环境。
通过摄像头获得环境图像，利用树莓派运行OpenCV进行图像处理，运用otsu阈值分割算法实现图像分割，并将图像的RBG信息分层，进而完成图像识别，通过坐标变换转换为小球在平板上的位置信息，将位置信息通过usrat通信传送给stm32f103zet6，由stm32f103zet6完成舵机的控制。
在平板的两个相互垂直的方向上搭载舵机，舵机旋转带动连动结构，驱动平板倾斜，利用PID控制算法，从而间接控制了小球完成停留、直线、绕环等运动。
关键词：滚球控制系统 ;图像处理 ;PID控制中图分类号：TP273 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; 文献标识码：A ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文章编号：1674-098X（2019）07（c）-0082-031 ;方案设计1.1 控制方案设计本系统主要由单片机控制模块、摄像头模块、图像处理模块、电机及机械支架构成。
具体工作过程为：通过摄像机采集小球的运动图像，在图像处理模块对图片进行处理，获取小球相对于板的位置，将位置信息传送到单片机中，利用PID算法进行控制，使小球向目标位置运动[1-2，6]。
1.2 机械结构方案设计在完成搭建机械结构之前，在MATLAB上完成了仿真测试，得到了舵机旋转角度与木板倾斜角度之间的关系[3]。
选用轻便的雪弗板作为底座。
用木板作为小球活动平台。
在木板背面固定了3万个向节，以实现木板的倾斜和固定。
木板与舵机之间进行做了一个单自由度的关节连接。
利用舵机转动，带动关节运动，从而牵动木板倾斜运动。
选择推力足够大，能够实现快速制动静止的舵机。
以木板中心为坐标系原点，xy轴各放置一个电机，利用电机旋转带动连动结构工作，控制平板在各个方向上倾斜。
2 ;理論分析2.1 机器视觉识别原理不同颜色的物体在图像中的RGB信息不同。
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滚球平衡控制系统方案的设计
发表时间：2018-04-12T10:43:06.000Z 来源：《电力设备》2017年第32期作者：卢智勇周凌云冀春喜王国良张鑫[导读] 摘要：该滚球控制系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，通过OV7670摄像头对小球的位置和速度进行采集，通过MPU6050六轴姿态传感器对平板的角度进行测量，采用42步进丝杆电机作为执行机构。
（中北大学朔州校区）
摘要：该滚球控制系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，通过OV7670摄像头对小球的位置和速度进行采集，通过MPU6050六轴姿态传感器对平板的角度进行测量，采用42步进丝杆电机作为执行机构。
电机与平板通过弹性绳铰接，带动平板运动。
系统整体由
12V/10A开关电源供电，通过线性稳压芯片获得+5V、+3.3V两路辅助电源输出。
人机交互由液晶显示屏和按键组成，对系统关键参数和题目要求进行显示。
两环PID联级后在X方向和Y方向耦合，很好得实现了各项，另外小球还可以跟踪触摸屏所触摸的对应位置。
关键词：STM32单片机；MPU6050；步进电机；非线性串级PID算法 1.系统方案
本系统主要由STM32主控单元、OV7670图像采集单元、人机交互单元、MPU6050姿态传感器、丝杆电机执行机构、辅助电源模块六个部分组成。
下面分别论证这几个模块的方案选型。
1.1主控制器件的论证与选择
方案一：采用传统的51系列单片机。
51单片机年代久远，资源有限，运算速度慢，难以完成题目要求。
方案二：采用32位嵌入式芯片
STM32F103系列嵌入式芯片是Cortex-M3内核的32位ARM微控制器，外设丰富，应用广泛。
STM32F103微控制器可较好的承担起各种运算，完成相应功能。
综合考虑采用方案二。
1 .2机械结构的论证与选择
方案一：采用直流电机加悬挂系统
板球系统可采用悬挂机械结构搭建。
但其存在平板自旋、软绳只能提供拉力等缺点。
方案二：采用步进电机加底推系统
采用丝杆步进电机来作为驱动单元，底推系统将平板和电机连为一体，属于刚性连接，运动性能好，不易晃动。
步进电机精度高，控制简单，适合于精确控制场合。
综合考虑采用方案二。
1.3系统传感器的论证与选择
1.3.1小球位置获取传感器的选取
方案一：采用电阻触摸屏
电阻触摸屏对于平板尺寸为650mm*650mm，实际中很难找到尺寸相当的触摸屏，多个屏幕拼接又会产生控制死区。
方案二：采用CMOS摄像头
摄像头是一种光学器件，通过采集平板和小球的运动图像，可实时获取小球的位置信息，虽然较电阻触摸屏使用复杂，软件开销大，但不受系统尺寸限制，使用方便。
综合考虑采用方案二。
1.3.2 平板角度获取传感器的选取
方案一：采用塑壳式电位器
塑壳式定位器可将角度量转换为模拟电压量输出，但安装两个定位器无法使平板灵活转动。
方案二：采用六轴姿态传感器
MPU6050内置加速度计与陀螺仪，通过一定的数学解算便可获得稳定的三轴角度，体积小，重量轻，使用方便。
综合考虑采用方案二。
2.系统理论分析与计算
本方案设计自动控制系统，系统能够控制平板的姿态使小球在平板上按照指定方式和指定轨迹运动。
方案需要控制小球在不同位置的速度，使在指定位置保持速度为零。
系统只能通过改变平板的倾角来改变小球重力加速度在平板方向的分量，所以需要控制小球加速度来控制速度，这样便可以间接的控制小球的位置。
在本设计的物理模型中，忽略了小球的尺寸、弹性、相对滑动摩擦力、空气对小球的阻力等次要因素，保留了小球的滚动速度、小球位置、平板倾角等关键物理量，大大简化了系统的物理模型，方便控制系统的设计。
为了简化小球在平面的滚动，将对小球的控制在直角坐标系中分解为X方向和Y方向，在两个方向上分别进行控制，简单的耦合后即可达到控制要求。
小球所受重力在平板方向的分量为：
F=mgsinθ 2-1
由于平板的调整角度大约是±5°，角度与小球的重力分量可近似看做线性关系。
当小球目标位置确定后，小球的目标速度正比于小球位置与目标位置的差值，而平板倾角正比于小球目标速度与实际速度的差值，公式如下：小球目标速度=PositionKp×（小球目标位置-小球实际位置）2-2
平板目标角度=SpeedKp×（小球目标速度-小球实际速度）2-3
式中的比例系数PositionKp和SpeedKp由实验测得，分别为0.1和0.5。
3.电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1主控芯片电路原理
主控芯片电路原理：控制核心采用STM32F103C8T6，内部集成2K的RAM，60K的FLASH，主频72MHz。
采用外置8MHz石英晶振，内部倍频到72MHz。
3.1.2OV7670图像采集原理
OV7670图像采集原理图：为了减小主控芯片的压力，额外一片STM32F103C8T6作为协处理器，专门负责摄像头数据处理，以此配合主控芯片工作。
3.1.3 MPU6050陀螺仪电路原理
MPU6050是6轴运动处理组件，内置一个加速度计和一个陀螺仪，并且自带数字运动处理引擎（DMP），可减少复杂的融合数据演算。
3.2程序的设计
系统程序基本框架和自动控制程序框架采用有限状态机的形式编写。
对不同的执行阶段设置相应条件，编写不同的代码，使系统高效有序得处理传感器的信息和控制执行机构来达到要求。
4.测试方案与测试结果
4.1测试方案
4.1.1硬件测试
硬件测试包括对机械结构的稳定性测试、电路焊接的正确性测试、系统整体的协调性测试。
4.1.2软件仿真测试
软件仿真包括对程序中各个关键参数的观察、PID参数的整定、器件操作的时序观察、各中断服务程序执行的情况等。
4.1.3硬件软件联调
软硬件联调采取循序渐进、逐一排查的方法，对软件进行封装并留出程序接口，其它子程序可直接调用。
4.2测试结轮
根据测试结果，可以得出以下结论：
1.硬件设计合理，能很好的作为软件程序实现的平台；
2.系统物理模型正确，受力分析合理；
3.软件算法思路正确，运动控制过程精确；
4.系统整体协调好。
5.总结
基于滚球平衡控制系统的研究成果与人民生活息息相关。
滚球系统作为典型的多变量、非线性控制对象对于现代控制方法的研究具有十分重要的意义。
本文设计了一种 PID型控制器用以控制板球系统。
参考文献：
[1].HUM USO FT Ltd. Use′s manual for C E151-Ball& Plate Ap-paratus. 1993
[2].薛定宇 . 反馈控制系统设计与分析—— matlab 语言应用 . 2000。