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【Arduino】2017年电子设计大赛B题 滚球控制系统板球系统

2017-11-14 10:00:38

今年电赛我们队伍选择的是B题,滚球控制系统。最后我们得到了省特和国一,也算是了结了我大一时的心愿吧。下面对这次比赛进行一下总结,以后回忆起来的时候也有个念想。

滚球控制系统是一个多变量、非线性控制对象,是球杆系统的二维扩展。本系统以Arduino Due为核心控制板,通过摄像头采集到球的位置信息,经过PID的控制算法来控制舵机的运行,从而控制小球的运动。其目的是让一个自由滚动的小球能够平衡在平板上特定的位置,或者沿一定的轨迹滚动。经测试,系统能够实现题目要求的各项功能,实测指标均达到或超过题设要求。
关键词:滚球控制系统;Arduino Due;位置检测;PID控制

当时网传已经有板球系统这道题了,虽然说心里没当一回事,但是还是默默地查起了一些资料。
板球系统、板球系统,最关键的就是需要检测到球的位置,然后通过板的机械运动将球保持在指定的位置上。
怎么检查球的位置呢?有两种不错的方法:一种方法是利用电阻屏,还有一种是利用摄像头。这两种方法比赛之前我都试过,电阻屏的话市场上有卖的一般就是7寸-17寸的四线、五线电阻屏,它获取小球位置比较灵敏,而且精度高、延迟低,对小球的材质、颜色没有要求,但是要求小球具备一定的重量,要不然检测不到球呀。至于摄像头检测小球的位置的话,一种方法是检测圆形,另一种方法是颜色检测,一般颜色检测的速度会快一些。如果使用摄像头检测小球位置的话,那么对处理器的运算速度要求较高,而且对光线的要求也较大,但是也可以使用开源摄像头(如OpenMV,pixy等),直接把小球位置信息等通过I2C、USART传输回单片机上。我们最后使用的就是Pixy。

最后赛题出来的时候,我们就傻眼了,居然和网传的消息那么像,但是尺寸却那么巨大。本来写好的电阻屏的程序是用不到了,只能用摄像头检测小球位置这种方法了。

当然我们想,小的我们都做好了,大的岂不是直接把原来的结构放大一些就是啦。但是后来发现我们想多了,尺寸变大许多导致的结果就是,机械结构需要重新设计。之前小板球系统的稳定性超级好,根本不会出现板子的抖动问题。但是等系统变大许多,板子变得很大很重,摄像头需要架设的很高,就带来了许多问题了。

摄像头是距离板子1m多的位置,这带来的后果就是,可能摄像头找不到那么小的球的位置了。

在比赛的那几天中,我们的机械结构换了4套。感觉一直都是在做木工活。第一套结构是纯木质的,各个部位全部用胶粘死。第二套是板子用的泡沫板,其他部分还是木质的。第三套是板子用的黑色喷漆铁板,支架是铁的,底板是木的,整套结构超级重、而且也不能拆卸。第四套结构的话,我们板子选择的是60*60*1cm的雪弗板,这个比较轻、而且也比较平,底板是PVC版,画原理图然后切割,支持部分是铝架,所有部分均可拆卸。

等机械结构做好之后,还剩一天的时间来写程序,简直奔溃,感觉比赛的大部分时间全部都在设计机械结构。但是这是非常必要的,因为机械结构如果不好,你的程序优化的再好,也是不会稳定的,尤其是这么巨大的一个装置。

前面说了一堆废话,下面说一点有用的:
①我们选用的控制器是Arduino Due。因为使用它开发简单方便快速,而且时钟频率大84Mhz,相比于普通的stm32f1一点也不逊色。本来想直接用树莓派了,但是想到用树莓派可能有违规的可能,所以还是算了。
②摄像头选择的是pixy。利用Pixy图像识别传感器检测小球位置坐标。Pixy支持多物体、多色彩的颜色识别,同时也支持多种通信方式,它搭载的图像传感器配合强大的硬件,可以将小球的位置坐标信息快速地发送给微控制器。注意!!!这可是直接把小球的坐标发到单片机里唉,所以你用性能差一点的单片机也没有关系了,这大大的简化了程序的复杂性,省去了自己写图像处理部分的事,节省了许多时间。
③舵机的话我们试了好多舵机,贵的、便宜的,最后还是选择了MG996R。具体原因我不多说,大家可以买来试试。

(待续。。。)
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