滚球系统中机器视觉与电机调控的关联研究

2019-10-31彭昕昀陈锦儒

电脑知识与技术 2019年22期

彭昕昀陈锦儒

摘要：随着科技快速发展，研究机器视觉与自动化设备的过程控制之间的关联成了一个新热点问题。本文以板球控制系统为研究对象，探讨机器视觉与电机调控的关联。基于机器视觉与电机的PID运动控制为设计背景，PC机控制工业相机获得小球的实时位置信息，通过图像处理转换成小球的位置数据并使用串口传输到STM32主控系统，主控机获取数据后实现小球的运动轨迹控制。整个系统设计过程中，机器视觉担任着为电机调控提供实时数据的角色，为研究机器视觉与电机调控的关联提供实验基础。

关键词：机器视觉;运动控制;位置数据;PID算法

中图分类号：TP247 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）22-0233-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research on the Relationship Between Machine Vision and Motor Control in Ball Rolling System

PENG Xin-yun， CHEN Jin-ru

（School of Physics and mechanical engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005， China）

Abstract： With the rapid development of science and technology， the research on the relationship between machine vision and process control of automation equipment has become a new hot issue.In this paper， the cricket control system is taken as the research object， and the relationship between machine vision and motor control is discussed. Based on machine vision and PID motion control of the motor， the PC controls the industrial camera to obtain the real time position information of the small ball， which is converted into position data of the small ball through image processing and transmitted to the STM32 main control system through serial port. In the whole system design process， machine vision plays the role of providing real-time data for motor control， which provides the experimental basis for the research of the relationship between machine vision and motor control.

Key words： machine vision; Motion control; Location data; PID ALGORITHM

1 引言

随着科技的快速发展，人工智能的不断提出新型的控制概念。人工智能的发展已成为当今科技快速发展的必备条件之一，其中作为人工智能的主要分支的机器视觉在工业发展中占有极大地位。社会上的工业生产总存在一些工作需要耗费大量人力以及不适合人工工作的环境，所以机器代替人工就成了当今社会工业高速发展的必要需求，因此研究机器视觉与PID运动控制算法对工业发展极其重要。为了进一步研究機器视觉系统与电机调控的关联，本文设计一个滚球控制系统模型，研究机器视觉对控制过程的影响。

2 系统模型

本文所设计的系统主要分成两大部分：STM32控制的滚球装置以及以PC机作为图像处理核心的机器视觉系统，其滚球装置效果图如下所示：

基于STM32控制的滚球装置主要由LM2596S直流可调降压稳压电源模块实现电压转换，为整个装置提供电源;控制核心STM32根据在PC机上开发的机器视觉系统，控制工业相机捕捉小球实时图像信息并进行图像识别，获取小球当前位置数据。

输出PWM信号驱动MG995舵机实现运动控制;使用串口通信的方式把小球位置数据传输到基于STM32作为主控核心的滚球装置上，控制滚球装置上的小球实现定点平衡静止，画直线运动，画矩形操作等功能演示。其系统框图如下图所示：

3 机器视觉与电机调控的关联

滚球控制系统的软件设计主要包含两大部分，分别是滚球的跟踪与识别与舵机的运动控制。其中滚球的数据采集主要在Open CV图像开发平台上进行机器视觉系统开发程序编程，其中程序主要由仿射变换，轮廓提取，颜色识别;而舵机的控制主要依赖机器视觉系统提供滚球位置数据从而使用PID算法进行控制。为了更进一步研究机器视觉与舵机的控制联系，系统设置了按键输入端，通过按键输入指令切换舵机的控制模式，滚球实现各种轨迹运动。

STM32控制系统调用工业相机进入图像捕捉模式，获取装置底板四个顶点的数据以及小球的轮廓提取，调用迭代算法进行迭代，然后进行仿射变换，再使用颜色识别和轮廓提取等算法获得小球的准确的位置信息，把小球的位置数据经过串口通讯传输到STM32主控系统，结合小球的位置信息调用PID运动算法进行舵机的运动轨迹规划，实现相对应的操作功能。其整体流程图如下所示：

3.1 小球颜色识别与轮廓提取

Open CV识别颜色主要是利用不同的颜色RGB/HSV直方图不同作为判定依据的。用HSV空间进行比较准确度比RGB直方图比对准确度更高。每种颜色均有不同的RGB直方图，也可以用HSV直方图来表示。RGB直方图代表的是红色，绿色，蓝色分量。HSV分别代表颜色空间，饱和度，亮度。

小球的轮廓提取算法主要调用Open CV机器视觉库自带的图像算法，其主要原理为将获取到的图像先进行二值化，然后通过边缘检测算子将轮廓检测出来，为了去除最小噪点，加入高斯滤波去噪以及形态学开运算。

3.2 仿射变换算法

仿射变换是一种二维坐标之间的变换，变换前后保持图形的平直性和平行性。仿射变换可以理解为是向量经过一次线性变换和一次平移变换。所以运用仿射变换算法可以把图像进行旋转、平移、缩放操作等功能。本文采用放射变换算法将摄像头获取到板的图像旋转平移等操作，从而保证了小球在板上的位置数据的准确性。

3.3 滚球运动控制PID算法

本文使用的PID算法进行滚球控制主要根据机器视觉系统检测反馈来偏差信号，并通过偏差信号来控制舵机运动。PID算法包含比例、积分、微分，比例是对设定值和实测值两者差值的放大倍数;增大比例值对于滚球控制系统可以减少小球从不平衡状态到平衡状态的时间，但是比例值超调就会引起板震荡。微分是指上一次设定值和实测值两者误差和当前设定值和实测值两者误差的差值，根据这个值的变化的快慢实现滚球控制系统调节，微分调节对于滚球控制系统来说是超前预测，当它的值越大，预测控制的作用就会越明显，在一定程度上缓解比例值超调带来的震荡作用。积分指是对设定值和实测值两者差值的在时间上进行累加，当累加值达到一定值时进行处理，从而避免产生振荡现象，但积分的调节存在滞后性，而且积分值超调越严重，滞后效果越明显。

结合机器视觉系统的延时特性，在本次滚球控制系统的调节过程中采用了PD调节方式，控制顺序是先进行位置环调节再对速度环调节。本文主要用到的公式如下所示：

输入 e（t）与输出 U（t）的关系为：

（1）

传递函数为：

[D（s）=U（s）E（s）=Kp（1+1Ts+Tds）] （2）

4 系统测试

本文研究的滚板球控制系统主要根据机器视觉的数据实现小球绘制直线运动、矩形运动、鼠标回调定点等功能，为了更好调试系统功能，使用了轻触按键进行功能分类调试，得出以下表格数据。

4.1 定點的测试数据

4.2 直线功能的测试数据

在这个测试过程中，滚球控制系统的精度主要依赖机器视觉系统传输回来的数据准确性以及传输滞后性。从实验结果可以看出，机器视觉系统在电机调控过程中重要定位，电机调控的可靠性主要由机器视觉系统决定。

5 结束语

本文利用滚球控制系统进行研究机器视觉与电机调控的关联，系统通过PC端上的机器视觉系统将小球的位置数据传输到控制系统上实现模式调控。通过实验操作对机器视觉与电机调控的关联进行探讨，为往后研究机器视觉与过程控制提供案例参考。