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摘要：以OpenMV圖像處理技術為基礎，借助MicroPython語言使其相應IO口輸出PWM，完成了基于串級PID的板球控制系統設計．系統實現了對小球的精確定點和圓周運動控制．測試結果表明：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，系統抗干擾能力強，反應迅速．

關鍵詞：板球控制系統；OpenMV；圖像處理；串級PID

0引言

板球控制系統是一個多變量、強耦合的非線性控制系統．與其他經典控制系統相類似，其實驗模型通常用于驗證各種控制算法的優劣，其中包括智能控制算法、現代控制算法等．已有的板球控制系統因使用多個控制器而導致系統硬件搭建比較困難，且大部分是基于觸摸反饋機制的系統，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PID控制，難以精確實現對小球的位置控制，誤差較大，且系統抗干擾能力弱，執行器響應較慢．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，不僅簡化了機械結構，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．通過設置速度環為內環，位置環為外環，實現了對小球精確的位置控制，同時使該算法的系統抗干擾能力得到了增強，執行器的響應速度也得到了優化．

1系統總體設計

openmv作為板球控制系統的傳感器和控制器，以STM32H743CPU為核心，集成的OV7725攝像頭芯片作為該系統的圖像處理模塊．另外，MG996R舵機作為執行器，7.2V鎳-鉻電池作為執行器的總電源，XL4016DC-DC模塊作為舵機的穩壓模塊，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參數進行初始化；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動的角度并控制板球的平衡．小球的位置信息可發送至上位機中進行實時監測．圖1為系統設計框圖．

2系統硬件設計

板球控制系統的硬件部分由OpenMV、模擬舵機、穩壓模塊等構成．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環境OpenMVIDE可實時采集OpenMV攝像頭捕捉到的圖像，方便程序運行時監控小球的運動情況．圖2為板球控制系統實物圖．綜合本系統的實際需求以及硬件搭建的簡潔性，采用7.2V鎳-鉻電池作為系統的總電源．電池容量為2000mAh，通過XL4016DC-DC模塊將電池電壓轉為兩路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相關圖像的應用算法．

2.2舵機執行器

舵機屬于伺服電機，帶有反饋環節，可根據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．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角度呈線性關系．表1為舵機輸出角度的對應關系表．

3系統軟件設計

板球控制系統的軟件算法設計主要由小球識別、串級PID構成．系統上電后，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算法求出平板需轉動的角度并向舵機發送PWM信號，從而維持板球平衡．圖3為系統總控制流程圖．

3.1圖像處理

為了提高機器視覺相關算法的開發效率，OpenMV提供了基于圖像處理的MicroPython語言編程接口，內置的圖像二值化算法取決于灰度閾值的設置范圍．根據像素是否在閾值列表內，將圖像中的所有像素點設置為黑色或白色，圖4為OpenMVIDE閾值調試界面圖．系統運行時，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

為了解決傳統單環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，兩舵機執行器轉動角度應設置相同．PID的一般控制規律為1dedd（1）式中：err(t)是設定值和實際值的偏差，Kp是比例系數，TI是積分時間常數，TD是微分時間常數．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：假設采樣間隔為T，系統輸入量為input(t)，輸出量為output(t)，則在第K時刻的偏差為（2）則離散化PID控制規律為由式（3）可得，系統的輸出與最近的兩次偏差有關，此PID控制為位置離散化PID，則速度環為位置環與相鄰時間的比值．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．為實現對小球的串級PID控制，首先需要理清系統的輸入輸出以及系統的相關特征．本次設計的板球控制系統，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的相關輸入或輸出，可得到平板應轉動的角度．在控制算法中，采用x軸-y軸并級的串級PID算法[5]．圖6為控制算法的結構框圖．設置小球的速度環為內環，位置環為外環，內環將外環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環的輸入，通過PD控制器獲得舵機轉動的角度作為系統最終的輸出．內環控制的主要作用是限制小球速度，故運用PD控制．外環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輸入，通過PID控制器得到小球的期望速度并參與系統的內環輸入．外環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，通過調整合適的PID參數，輸出平板x軸和y軸傾斜角度所需的控制量，通過執行器舵機可實現小球最終穩定在目標點區域．對于小球圓周運動控制算法的實現，可參考圓的參數方程：（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內置的定時器，每秒θ值加一，通過調整內外環控制器合適的參數（內環：Kp=0.1，Kd=0.02；外環：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測試結果分析

通過對內外環PID相關參數的不斷校正，最終板球控制系統可以在定點模式和圓周運動模式之間任意切換．經測試，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．經過對小球環繞的多次測試，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PID控制更精確，能夠克服對象非線性特性的影響，通過內外兩環并聯調節增強系統的穩定性和抗干擾能力．

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