一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，包括底座、电动推杆、万向节、平板和摄像头；平板为方形的平板；平板上设有平板姿态检测传感器；平板作为滚球的支撑平台；电动推杆为2个，2个电动推杆和万向节呈三角形布置在底座上对平板形成支撑；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；底座上设有用于固定所述摄像头的角尺形的支撑杆，摄像头固定在支撑杆的上端部，摄像头位于平板的几何中心的正上方；摄像头用于获取滚珠的方板上的位置数据；滚球控制系统还包括MCU，推杆电机受控于MCU；平板姿态检测传感器与摄像头均与MCU相连。该基于摄像头位置检测的滚球控制系统结构紧凑，易于实施，控制精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统
本专利技术涉及一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统。
技术介绍
二十世纪80年代末，滚球系统开始作为一种检验及研究控制算法的实验装备流行在国内外。在初期的仿真阶段，1989年，国外研究人员率先应用近似线性模型，实现对滚球系统的控制。国内，清华大学自动系的张乃尧教授等实现了滚球系统的数学建模，针对性的提示滚球系统的三种控制方案：1)T-S模糊控制；2)分层模糊自适应控制；3)三层递阶模糊控制。在实际装置的研究中，2004年，美国马里兰大学教授Phillip研究团队研制了基于视觉反馈的滚球系统实验平台，并研究了滚球的定位控制算法。清华大学设计了模糊控制方法对系统进行控制器设计，实现了滚球在平板上的镇定控制。国内教学设备制作商深圳元创兴科技有限公司和固高科技有限公司也开始制造销售滚球系统实验室教学装置。滚球系统作为一种多变量、非线性的机械平台，它是球杆系统的扩展，研究的主要问题包括：1)系统的动力学建模；2)传感器的数字图像处理；3)滚球的定点和轨迹控制；4)复杂路径下的道路规划。在滚球系统中，滚球本身不带任何传感器，完全依靠平板的倾斜使其运动，系统存在视觉反馈机构，驱动机构和传动机构滞后，以及摩擦非线性的干扰等因素。这些都对系统控制提出高的要求。由于该系统在动力学、视觉伺服、现代控制理论具有典型性，代表着实际工程中强耦合、多变量、非线性的不确定系统。既能作为一种检验控制算法的标准控制平台，又能作为对不确定系统领域的研究平台。因此，有必要设计一种新的基于摄像头位置检测的滚球控制系统。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，该基于摄像头位置检测的滚球控制系统结构紧凑，控制精度高。专利技术的技术解决方案如下：一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，包括底座、电动推杆、万向节、平板和摄像头；平板为方形的平板；平板上设有平板姿态检测传感器；平板作为滚球的支撑平台；电动推杆为2个，2个电动推杆和万向节呈三角形布置在底座上对平板形成支撑；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；底座上设有用于固定所述摄像头的角尺形(又称7字形，或倒L形，或Г形)的支撑杆，摄像头固定在支撑杆的上端部，摄像头位于平板的几何中心的正上方；摄像头用于获取滚珠的方板上的位置数据(如图像或直接输出的位置坐标)；滚球控制系统还包括MCU，推杆电机受控于MCU；平板姿态检测传感器与摄像头均与MCU相连；MCU基于所述的位置数据确定滚珠的位置和运动速度。MCU还连接有显示屏以及输入设备；输入设备为按键或触控屏，显示屏以及输入设备作为MMI设备，即人机接口设备。平板姿态检测传感器采用MPU-6050器件，MPU-6050器件为整合性6轴运动处理组件。所述电机为步进电机，电机的驱动电路为基于P、N互补MOS管的H桥驱动电路。H桥模块使用门电路与MOS管组合方式实现电机正反转、制动及调速控制。H桥驱动电路包括4个与非门U5A～U5D和4个MOS管Q1～Q4；其中Q1和Q2为P-MOS管，Q3和Q4为N-MOS管；H桥的上半桥是PMOS管，下半桥是NMOS管。因为P沟道功率MOS管一般不用在下桥臂做驱动电机的作用，H桥一般有两种方案：一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOS管和2个N沟道功率MOS管，另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOS管，图上所用的就是方案一，上桥臂用2个P沟道功率MOS管，下桥臂用2个N沟道功率MOS管。4个MOS管Q1～Q4组成H桥：Q1和Q2的S极均接直流电源正端VDD；Q1和Q2的D极分别与Q3和Q4的D极相连；Q3和Q4的S极均接地；Q1和Q2的D极分别接步进电机的2个驱动端；H桥驱动电路具有2个驱动信号，分别是来自MCU的PWM5和PWM7，即该2个控制信号来自MCU的2个IO端口；PWM5经串联的与非门U5A和U5B接Q1的G极；Q1的G极与Q2的G极短接；PWM7经串联的与非门U5C和U5D接Q3的G极；Q3的G极与Q4的G极短接；每一个与非门的2个输入端均短接。PWM5和PWM7分别经上拉电阻R18和R19接VDD。与非门采用CD4011器件；MOS管Q1和Q2采用IRF4905器件；P型沟道MOS管，即PMOS管。MOS管Q3和Q4采用IRF3205器件。方板上设有与MCU连接的电阻式触摸屏，滚珠压迫电阻式触摸屏的点为触摸点，电阻屏幕输出触摸点的位置坐标到MCU，该位置坐标与基于图像获得的位置坐标进行融合，可以有效提高位置检测的精度。摄像头为openmv模块型摄像头，所述的摄像头能直接输出滚珠的位置坐标到MCU。所述的MCU为STM32F407VGT6主控制模块。所述的方板为正方形方板，方板的边长为65cm，滚球的直径为1-2.5cm。采用双闭环控制系统，所述的双闭环控制系统的外环为位置控制环，所述的双闭环控制系统的内环为速度控制环；位置控制环和速度控制环均采用PID控制器。一种基于双闭环控制的滚球控制方法，控制系统通过基于位置环和速度环的双闭环实现对滚球在方板上的定点和轨迹运动的控制；所述的位置环以摄像头检测滚球在方板上的位置信息作为反馈信号；速度环的反馈信号来自对所述位置信息的处理(单位时间内2个点的位移量除以时间极为速度，即v＝△s/△t)；控制系统的执行机构为2个控制方板姿态的电动推杆；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；方板由万向节和所述的2个电动推杆支撑；摄像头固定在方板的正上方；控制系统为基于MCU的控制系统；摄像头与MCU相连；电机受控于MCU。摄像头采用能直接输出目标位置坐标的openmv模块型摄像头。方板上设有与MCU相连的平板姿态检测传感器，平板姿态检测传感器采用MPU-6050器件，MPU-6050器件为整合性6轴运动处理组件。MCU与显示屏相连，显示屏用于显示方板的状态数据和滚球的运动数据，方板的状态数据包括方板的倾斜角度，滚球的运动数据包括滚球的位置坐标和运动速度。所述的MCU为STM32F407VGT6主控制模块。所述电机为步进电机，电机的驱动电路为基于P、N互补MOS管的H桥驱动电路。H桥模块使用门电路与MOS管组合方式实现电机正反转、制动及调速控制。采用2种方法融合位置数据以提高滚球位置检测的精度；方板上设有与MCU连接的电阻式触摸屏，滚珠压迫电阻式触摸屏的点为触摸点，电阻屏幕输出触摸点的位置坐标到MCU，该位置坐标与基于图像获得的位置坐标进行融合，可以有效提高位置检测的精度。位置环和速度环均采用PID控制器。位置外环的PID参数分别为：P＝3000，I＝100，D＝3100；最佳伺服环的比例参数P值＝4500。速度内环参数是P＝3000，I＝0，D＝5000。有益效果：本专利技术的基于摄像头位置检测的滚球控制系统，通过动态调整平板的倾角，达到控制平板上滚球的运动状态和位置。其控制对象为平面板，平面板由两个推杆电机驱动，通过摄像头得到滚球在平面板的具体位置后反馈给主控系统，主控系统采用现有的算法推理运算控制平板的转角。从而实现滚球在平板上的轨迹运动控制和定点控制。本专利技术的基于摄像头位置检测的滚球控制系统具有以下特点：(1)采用万向节和2个电动推杆的支撑机构，结构紧凑而简洁；且抗外力自然因素干扰强。根据系统的结构特点，本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，其特征在于，包括底座、电动推杆、万向节、平板和摄像头；平板为方形的平板；平板上设有平板姿态检测传感器；平板作为滚球的支撑平台；电动推杆为2个，2个电动推杆和万向节呈三角形布置在底座上对平板形成支撑；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；底座上设有用于固定所述摄像头的支撑杆，摄像头固定在支撑杆的上端部，摄像头位于平板的几何中心的正上方；摄像头用于获取滚珠的方板上的位置数据；滚球控制系统还包括MCU，推杆电机受控于MCU；平板姿态检测传感器与摄像头均与MCU相连；MCU基于所述的位置数据确定滚珠的位置和运动速度。

【技术特征摘要】
1.一种基于摄像头位置检测的滚球控制系统，其特征在于，包括底座、电动推杆、万向节、平板和摄像头；平板为方形的平板；平板上设有平板姿态检测传感器；平板作为滚球的支撑平台；电动推杆为2个，2个电动推杆和万向节呈三角形布置在底座上对平板形成支撑；2个电动推杆由独立的2个电机驱动；底座上设有用于固定所述摄像头的支撑杆，摄像头固定在支撑杆的上端部，摄像头位于平板的几何中心的正上方；摄像头用于获取滚珠的方板上的位置数据；滚球控制系统还包括MCU，推杆电机受控于MCU；平板姿态检测传感器与摄像头均与MCU相连；MCU基于所述的位置数据确定滚珠的位置和运动速度。2.根据权利要求1所述的基于摄像头位置检测的滚球控制系统，其特征在于，MCU还连接有显示屏以及输入设备。3.根据权利要求1所述的基于摄像头位置检测的滚球控制系统，其特征在于，平板姿态检测传感器采用MPU-6050器件，MPU-6050器件为整合性6轴运动处理组件。4.根据权利要求1所述的基于摄像头位置检测的滚球控制系统，其特征在于，所述电机为步进电机，电机的驱动电路为基于P、N互补MOS管的H桥驱动电路。5.根据权利要求4所述的基于摄像头位置检测的滚球控制系统，其特征在于，H桥驱动电路包括4个与非门U5A～U5D和4个MOS管Q1～Q4；其中Q1和Q2为P-MOS管，Q3和Q4为N-MOS管；4个MOS管Q1～Q4组成H桥：Q1和Q2的S极均接直...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈英，谢明华，熊跃军，王路露，周远，张竹娴，邓统杰，刘蒙瑞，汪之又，
申请(专利权)人：长沙学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43