1、平板球实验系统硬件设计目录1.引言和概述 .12.系统的总体设计方案 .42.1 系统结构 .42.2 系统的研究过程 .52.3 课题的任务 .53.机械结构的设计方案 .63.1 机械设计的方案 .64 硬件选择和设计 .74.1 电路设计 .74.2 系统芯片的选择与设计 .84.3 电机的选择与设计 .104.4 电机驱动 BTN7971 模块设计 .114.5 显示屏的选择与设计 .114.6 角度传感器 MPU6050 模块设计 .124.7 红外通信模块的选型 .134.8 摄像头的选型与设计 .144.9 下载端口和调试端口设计 .164.10 小结 .165.软件设计 .17
2、5.1 软件设计的思路 .175.2 软件总体设计 .175.2.1 系统和各外设的初始化 .185.2.2 TFT-LCD 显示程序设计 .185.2.3 角度传感器程序设计 .205.2.4 摄像头数据采集程序设计 .205.2.5 红外通信程序设计 .215.3 小结 .226.总结与展望 .236.1 总结 .236.2 展望 .23致谢 .25参考文献 .2611.引言和概述从 20 世纪以来，人类缔造了一个非常强大工业体系，让我们生活发生了质的改变，越来越多的机器被运用到了工业和生活生产中，机器也越来越起着非常重要的作用，人再也离不开机器。为了满足人类日益增长的物质和各种需要，我们
3、需要更快更好地生产出更多的物品，需要寻求其他的工具替代人去生产，让人类有更多时间和精力去发明和创造出更好的东西来丰富和完善这个物质的世界。这样才能满足现代化工业，农业，军事以及其他的社会经济等领域。如今是一个信息时代，各个领域中都用到计算机 1。人类可以通过听，说，读，写等方式和外界交换信息，用不同的方式来表达自己的情感，想法等。但是人类必须要用固定的方式来与计算机交换信息。这样计算机才能被人类所知道，所了解。才能更好运用计算机来满足人类的需求。才能让计算机按照人类的意愿来做事情。如何让计算机来知道人类的习惯，喜好，要求等等。这是一个让人类头疼的事情，这也是一个人类需要解决的事情，这样才能让计
4、算机替代人类去工作，去思考。让计算机拥有像人类一样的也拥有眼睛可以看到东西，拥有嘴一样的功能可以说话，拥有耳朵可以听见声音。如果计算机也拥有了这些功能，那么计算机将进入一个全新的时代，智能化时代，这样计算机的运用也将达到一个前所未有的高度，计算机的智能化也将被运用到人类的各种各样的活动中。这样我们的制造业，工业，军事，医疗等各个领域都会有一个更好的发展。人类的生活会变得更加美好。随着时代的发展，科学技术也在快速的在发展。控制理论也在发展，从经典控制理论、现代控制理论，然后在发展到了智能控制。控制系统可以分为线性系统和非线性系统。而针对线性系统的应用，经典控制理论和现代理论就可以得到很好的解决。
5、对于非线性系统，专家们研究出了各种方法，比如自适应控制，变结构控制，还有智能控制等解决方法 2。而当今是一个现代化时代，计算机的发展已经很先进了，计算机的视觉的快速发展，将计算机变得智能化。如今的智能化已经被运用到很多方面，比如在自动化的生产，配置，检测中都得到很好地运用。计算机视觉在家庭中当服务机器人，可以打扫卫生，洗衣做饭等。在医院中当做一个运送机器人，可以帮助医生运送病人，可以帮助护士照看病人。并且可以在复杂的环境中目标的检测，提取，识别和跟踪。还可以获取目标的运动轨迹和姿态。现在我们需要思考的这些问题，如何运用这些先进的设备和技术，运用到我们的生活中，计算机视觉的智能化使我们解决的问题
6、。我们如何将控制理论2和计算机视觉结合起来，这是一个值得我们思考。我们可以在实验室试验和验证计算机视觉的运用。在国内外的许多专家学者都设计了很多的方案，基于视觉的平板球系统，平板球系统是一个非常复杂的控制系统。也是一个典型的非线性的、不确定的、耦合性强的非线性运动学系统 3。平板上的小球是不受任何约束的，在电动机的带动下，平板发生倾斜，小球才会发生运动。平板与小球间存在摩擦，这才会是小球停在平板任意位置。我们想要控制小球按照我们的意愿停在任意位置，这是一个非常有挑战性的问题，也是我们学习控制系统这个课题必须解决问题，所以平半球系统的开发与控制是一件非常有意义的事情 3。平板球实验系统是为了学习
7、与研究自动控制、运动控制、图像处理等知识，目前不管是汽车制造、机器人、航天、军事研究中都需要运用控制系统、人机系统控制等知识 4，这些知识在工业生产中有很大的作用。并且也帮助我们了解现代控制理论和经典控制理论等。这也方便我们进行试验和研究的平台平半球系统。这是一个综合、复杂的研究对象，非常具有挑战性。经典的球杆系统是一维的平面，而本实验的平半球实验系统是一个二维系统，这就是说这里的小球不再只是在一个平面上运动，现在而是在一个平面上运动，这是一个质的改变。识别小球信息和采集小球的位置是通过摄像头来完成的。通过反馈传到控制器上，通过点击的转动，来调整平板的角度，来实现小球的运动，从而达到设定位置。
8、平板球系统 是一个非线性的、欠驱动的、多变量的控制系统 4。针对这些问题，采用了许多的方法，通过不同的方法来弥补平板球实验系统的设备所有的不足，许多的前辈们在这方面做了大量实验，并且想出了许多的解决办法。比如非线性的控制、参数识别、智能控制、图像处理等。目前该实验的研究仅限于对小球的定位控制。红外通信传送指令，用单片机进行简单的控制，MPU6050 的运用，通过摄像头 OV7670 识别等。让小球的控制变得更加有意义，这也让我们学习变得更加有实际意义。平板球实验系统是一个任意运动的控制系统 5。这和轨迹机器人有相同的地方，但是又有区别。对于机器人来说，他们是按照人编写的程序来完成他们指定的动作
9、的，并且会受到机械架构的束缚，在没有指令前，他们是不会运动的，会保持他们原来的状态。但是该平板球实验系统中的小球是不会受机械的约束，在有外界有影响下会发生运动，比如说风，震动，还有小球和平板之间的摩擦力。他们都会影响小球的运动情况。小球上是没有任何传感器，小球不会知道自己该如何运动，何时该停。平板球实验系统中我们只能通过摄像头的反馈知道小球的运动轨迹和具体的位置。才能驱动电机的旋转让平板发生倾斜，让小球发生运动。这里如何通过运用摄像头、电机的转动、角度传感器、红外通信设备、来实现小球的运动到指定的位置，这是一个非常有挑战的课题。由于一个强非线性的球板实验系统的运动学模型，状态方程可以转化为一个
10、3链接的形式，这是已知的在构建一些无漂移的非完整系统的反馈控制律的有效性。为了解决这个问题，我们利用时间状态控制的形式，一种规范形式，涵盖了更广泛的一类系统比链接的形式。这种形式是首次应用到两个独立的子问题，位置控制，在球的平面位置进行控制，而不是方向和方向的控制，在不改变方向是控制球和板之间的位置关系 6。在试验中，会遇到许多的问题，小球与平板之间摩擦力大小无法计算，不知道需要什么样的小球和平面才是最理想的。还有小球的质量的大小也会影响该试验成败，质量越大，摩擦力也越大，这也是一个棘手的问题，摩擦力大的话运动就不是很快，无法很快达到指定的位置，质量大的话也会影响平板的倾斜。但是如果我们选择一
11、个质量比较轻的小球，也会受到外界的影响，空气的流动、器械的抖动等都造成小球位置的改变，使试验误差变得不确定。在运用摄像头采集小球信息时，会受到当时室内的光照情况所影响，这会影响摄像头的数据采集，这会直接导致控制系统不能及时知道小球的运动情况，这都是一些客观因素的影响。上述了问题，还需要解决控制精度、控制时间上的问题，因为控制精度=反馈系统中的最终控制参数值/额定值，而且控制时间=时间成本的反馈控制系统来实现控制目标 7。平板球实验系统是由许多传感器模块组成的传感器网络，将传感器放置在小球的周围，以便于观察小球的运动轨迹和运动方向。平半球系统是由摄像头OV7670、减速电机的驱动 BTN7971
12、、编码器、红外传感器、角度传感器等组成的，通过这些传感器来完成对小球的控制，达到可以让小球可以在平板上任意位置上运动。利用红外通信传感器发送指令，让平板球控制系统接收人发出的信息。利用角度传感器的反馈，可以得知平板的倾斜程度，来判断小球的受力是否正确。利用摄像头来识别小球，观察小球的位置，观察小球的运动轨迹，接收小球的的信息，反馈到平板球实验系统的控制系统中去，在控制系统进行对比，是否按照人的意愿来运动的。如果不是，就会通过驱动电机的转动，让平板的倾斜发生改变，是小球的运动也发生改变，从而达到理想的运动轨迹，最终到达实验设定的位置。42.系统的总体设计方案2.1 系统结构平板球实验系统主要是基
13、于 STM32 单片机上的实验平台，主要包括硬件和软件两个部分。平板球实验系统的硬件是由电源模块，摄像头 OV7670 模块，TFT-LCD 显示模块，角度传感器 MPU6050 模块，红外通信传感器模块，编码器等等各种传感器组成的。平板球实验系统的硬件用的主控芯片是由 STM32F103ZET6 组成。电源模块是为了系统体统提供 3.3v、5v、12v 的电压。MPU6050 是为了检测平板的角度偏转情况，是否和小球的运动是否一致或者是否合适。STM32 单片机可以接收红外通信传感器发送过来的指令。图像采集设备 OV7670 用于采集运动小球图像，基于图像采集频率和图像处理进一步识别小球运动
14、的空间轨迹，包括位置变量与速度变量。然后 STM32 单片机做出分析和处理，将 PWM 波信号发送到电动机的驱动模块 7971.驱动模块 7971 的输出与电动机相连，让电机发生转动。让小球发生运动，可以按照操作者的指令停在指定位置。以上所有的操作的信息都可以在 TFT 显示模块显示出来。采用 Keil SoftWare 公司（美资企业）提供的 Keil 产品作为单片机代码编译平台，该软件平台具有较强的向下兼容性，能够兼容 32 系列单片机，基于 C 语言开发环境能够编译结构性强、可读性好的硬件驱动程序，成为工业界、学术界主流硬件开发环境之一。为此，本项目基于 Keil 产品开发了传感器软件驱
15、动代码。首先，针对本电路系统的元器件进行模块代码编写；再次，对原始代码进行编译，优化代码。最后，结合硬件进行测试。对于各种模块，首先对其进行初始化。并将各种传感器的反馈进行分析和处理。最后在主控芯片上发出指令。先将TFT 显示屏进行初始化，可以让各种需要的数据显示出来。然后对摄像图OV7620 进行图像处理，可以将小球的信息显示在显示屏上，并且可以将小球的位置精确的在 TFT 显示屏上显示出来。STM32 可以将角度传感器的信息收集起来。并且进行数据的处理。然后进行 PID 控制，将反馈回来的信息进行处理，然后将处理的信息转化为 PWM 波信号，输入给电机驱动 BTN7971，最终让电机发生偏
16、转。达到让小球停留在指定位置。系统的流程示意图如图 2-1 所示。5图 2-1 平板球系统流程图2.2 系统的研究过程平半球系统硬件设计思路如下，首先，先学习如何使用 Altium Designer(简称DXP)硬件开发软件，在电路设计软件平台 DXP 上完成电路图设计。实现各种模块的功能，最终完善原理图的设计。最后将电路图打印到电路板上。其次，选择合适的传感器的类型和用途，还有各种需要的原件。原件和传感器如：通信传感器、摄像头、电动机、主控芯片、角度传感器、编码器等等 。再进行电源的设计，利用 AMS1117 来制作设计电源，提供主控板的电源。并且输出 12V、5V 还有 3.3V 的电压。
17、通信部分没有才按键来控制系统芯片，而是采用了红外遥控通信模块，设计简单，使用方便快捷。显示部分采用了 TFT-LCD 显示屏，屏幕的功能强大，并且可以进行触屏的软件设计。最后将各类原件和系统板进行焊接，用 KEIL 软件编写平台进行功能程序的实现。2.3 课题的任务该平板球系统-硬件设计的主要内容。（1）可通过摄像头检测小球位置图像；（2）可对两个电机独立驱动；（3）交互接口设计；平板球系统软件部分设计的主要内容。（1）可通过摄像头检测小球位置图像；（2）可对两个电机独立驱动，保持平板水平；（3）设计软件使小球运动到指定位置；通过对平板球系统软件和硬件的设计，让小球实现所有功能，完成对小球的位
18、置的指定控制。主 控 芯 片STM32F103ZET6控 制电 机 ， 显 示 屏 ， 红红 外 遥 控摄 像 头平 板电 机 驱 动 角 度 传感 器63.机械结构的设计方案3.1 机械设计的方案机械部分包括底座，支架部分，减速电机（带编码器） ，小球，球盘，摄像头安装架，角度传感器，红外通信模块，电动机的驱动 BTN7971 等。如图 3-1 所示，平板上放了一个小球，可以自由的运动。平板是靠的是支架支撑起来的，并且还需要靠与电动机相连的转轴才能保持平衡，平板的倾斜是靠电动机的转动而发生偏转的，通过转动轴的运动就可以让平板在 X 轴上和 Y 轴上发生偏转，从而实现小球的滚动。单点的支撑是在
19、底座上的，摄像头是通过支架放在平板的上方，便于收集小球的信息，观察小球的位置及运动情况。主控芯片 STM32 接收各种信息，这样就能构成一个闭环反馈系统，从而可以在平板上控制小球的位置和运动的轨迹 8。角度传感器是放在平板的下方，并且需要水平的粘贴在平板下方，才能尽可能减小人为误差，这样才会得出理想的结论和试验效果。编码器是减速电机自身带有的，这样用起来很方便，很有利于硬件的安装。编码器是一个增量式编码器，可以检测出电动机实际的角度偏转值。在设计的时候，考虑到系统采用减速电机作为动力的来源，所以在减速电机的轴承上安装了一个转动轴，然后用一个跟铁棒将转动轴和平板固定，这样既可以是小球拥有动力，也
20、可以使平板有一个支撑点，减少中心轴上的压力，可以使平板保持平衡。中心轴是与底座相连的，这样是为了给平板一个支点，让平板围绕这个点在 X 和 Y 轴上运动。平板四周安装了四个围栏，是为了不让小球离开设定的区域。图 3-1 平板球系统实物图74 硬件选择和设计4.1 电路设计平板球实验系统硬件设计主要有系统板 STM32 的电路设计，摄像头OV76209，角度传感器角度传感器 MPU6050，红外传感器，编码器，调试接口等等部分。运用 Altium Designer10软件绘制电路图。打印电路图，将其做成电路板。采用 Altium 公司提供的 Altium Designer 电路图板应用软件，用于
21、电子产品的电路系统开发。它是通过把设计者的原理图设计、电路的仿真、PCB 的绘制编辑、拓扑逻辑的自动布线、信号完整性的分析和设计输出等技术的完美结合 11。Altium Designer 只需要设计者在进行原理图设计输入后便可以正确的仿真、模拟电子元器件，从而不需要 通过 A/D 转换 D/A 转换，把原理图转换到其他的模块中去 12。 Altium Designer 可以对设计者所画的原理图进行仿真，设计者可以很方便的查看电路图和分析电路的性能指标，这样就可以很快的发现其中的不足，并且能够及时进行修改。这大大缩短了电路的设计周期，提高了电路的性能指标 。这款软件开发软件大大地为研发者提供了一
22、个硬件设计的解决的方案，这让设计者可以在该软件开发平台上很轻松的进行硬件设计，这样可以便于硬件开发者大大提高电路设计的质量和效率，帮助设计者解决硬件设计这个难题，也为很多的硬件设计者节约成本还有设计所需要的时间。 Altium Designer 的使用流程。(1)原理图的设计：新建一个原理图的文件夹，打开硬件开发的编辑环境，这个和普通的原理图设计大概是一致的，打开 Libraries，加入我们电路设计所需要的原件的原理图。通过拖拽功能增添电子元器件的封装，并设置电子元器件的工作参数；所采用元器件具有 Simulation 仿真的通用属性（型号、大小等） ，保证在仿真过程中不出现器件不符等设置错误。然后将各种元件进行排版，这样会方便我们布线，打孔等等设计。最后将各种元件用线把他们连起来的，并且用字母和数字进行标注，且对整个电路进行编译、校验。从而验证设计的电路图是否有错误。电路图设计硬件平台如图 4-1 所示。
