基于PIC單片機及圖像處理技術(shù)設(shè)計的智能臺球機器人

臺球源于英國，它是一項在國際上廣泛流行的高雅室內(nèi)體育運動。隨著各種運動的興起發(fā)展，臺球以其內(nèi)涵高雅、放松身心的特點越來越受大家歡迎。依靠單片機技術(shù)的日益成熟，基于單片機的小型化高精度控制過程的廣泛應用，色度學、先進光電成像技術(shù)、計算機技術(shù)和圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展和電機驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)以及控制技術(shù)的不斷發(fā)展，我們計劃設(shè)計可以與人對打的臺球智能機器人，使人們可以在即使一個人的情況之下也可以享受臺球帶來的娛樂、休閑。

我們這次設(shè)計的智能臺球機器是以PIC單片機為核心的控制系統(tǒng)，結(jié)合了圖像處理技術(shù)，PIC單片機控制電機系統(tǒng)，以及機械機構(gòu)設(shè)計技術(shù)等方面的知識，利用了各種芯片來實現(xiàn)對臺球系統(tǒng)的圖像采集處理技術(shù)，同時，使用各種電機來控制機器人的運動和球桿的揮灑角度和力度系統(tǒng)。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上本設(shè)計的系統(tǒng)可以分為兩個方面：圖像處理系統(tǒng)、智能運動系統(tǒng)。智能運動系統(tǒng)又包含兩個內(nèi)容：運載系統(tǒng)和球桿系統(tǒng)。圖像處理系統(tǒng)采集桌面臺球的各種信息;智能運動系統(tǒng)通過各種電機實現(xiàn)機器人的運動和揮球運動。

系統(tǒng)總體機構(gòu)

該智能臺球機器人由3部分構(gòu)成：圖像采集處理系統(tǒng)、智能運載系統(tǒng)和智能球桿系統(tǒng)。

(一)、系統(tǒng)總體布局與原理框圖

通過microchip公司生產(chǎn)的32位PIC單片機對CMOS采集過來的圖像信息分析處理，然后向各個電機驅(qū)動電路發(fā)送相應的指令信息，控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，執(zhí)行小車的運動，球桿瞄準，以及控制球桿擊球的力度各項操作，完成一個智能臺球機器人的自動捕捉和擊球全過程。其原理框圖如下所示：

(二)、系統(tǒng)的技術(shù)特點

該智能臺球機器人結(jié)合了圖像處理系統(tǒng)，PIC單片機控制電機系統(tǒng)，以及機械機構(gòu)系統(tǒng)等方面的知識，是一個跨學科，多領(lǐng)域知識交叉的產(chǎn)品設(shè)計。智能臺球機器人主要是由圖像處理系統(tǒng)、電機驅(qū)動和測速系統(tǒng)，以及機械機構(gòu)系統(tǒng)來協(xié)調(diào)完成智能擊球過程的。

圖像采集上對比CCD攝像頭的特點CMOS攝像頭不需要用視頻采集卡就能輸出數(shù)字信號，內(nèi)帶A/D轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)體積較小。

圖像處理上利用CPLD和DSP協(xié)調(diào)的模塊，大大減少需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，加快了系統(tǒng)的傳輸速度，提高了上位機的工作效率。

運載系統(tǒng)主要利用伺服電機驅(qū)動，伺服電動機機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性, 動態(tài)響應快, 控制精度高, 可靠性高, 是自動控制系統(tǒng)中一種很好的執(zhí)行元件。

球桿系統(tǒng)主要通過步進電機W1控制球桿的轉(zhuǎn)角來對擊球角度的瞄準，步進電機是數(shù)字控制電機，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制。伺服電機W2控制球桿擊球的速度，利用伺服電機高精度、高可靠性的性能以實現(xiàn)準確擊球入袋的任務(wù)。

(三)、系統(tǒng)硬件組成及工作原理

1、 圖像處理系統(tǒng)

1.1 圖像處理系統(tǒng)的原理框圖

根據(jù)智能攝像機的工作原理，結(jié)合以前的數(shù)字圖像處理研究的成果，本圖像采集系統(tǒng)設(shè)計包括圖像采集、圖像存儲、數(shù)據(jù)處理三個部分。對比CCD與CMOS圖像傳感器的優(yōu)缺點，決定采用CMOS數(shù)字圖像傳感器來構(gòu)建系統(tǒng)的數(shù)字化采集單元。

系統(tǒng)原理如圖1-1所示，通過攝像頭獲取桌面球的位置與顏色信息，通過CPLD采集控制器和FIFO幀處理器來進行圖像存儲，并將數(shù)字信號傳輸?shù)紻SP數(shù)字信號處理器進行處理，采集球的位置信息和距離信息。將其傳輸給單片機進行控制，來實現(xiàn)電機的運動。

1.2 圖像處理系統(tǒng)的主要部件

1.2.1 CMOS圖像傳感器

我們采用的CMOS數(shù)字攝像頭是OV6620。

OV6620采用PAL制式(國內(nèi)的普通電視機制式)，每秒25幀，分辨率為356*292，內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換模塊和視頻分離模塊，省去了1881視頻分離芯片。當然，也可以當模擬攝像頭來使用，比如調(diào)焦時，這時可以將視頻信號端接至OV6620的VTO端即可。

OV6620的優(yōu)點：供電電壓低，簡化電路;內(nèi)部集成AD和視頻分離模塊，簡化電路，并且使得采集程序簡單，采集質(zhì)量高;視頻信號轉(zhuǎn)換在內(nèi)部進行，減輕CPLD控制器負擔。

OV6620共有32個引腳，但我們真正能用到的不多。我在做智能車時僅僅用到13個引腳，其他引腳并未使用?，F(xiàn)在把常用的引腳列出來： Y0~Y7(數(shù)據(jù)輸出端，接單片機IO口)、VSYNC(場中斷信號端)、HREF(行中斷信號端)、VCC(接5V)、GND(接地)、VTO(接視頻采集卡調(diào)焦)，其他可能會使用到的引腳：PCLK(像素同步信號端)、FODD(奇偶場信號端)。

1.2.2 幀存儲器

美國Averlogic公司的大容量FIFO AL422B作為采集-處理的共享數(shù)據(jù)RAM。AL422B的存儲容量為3MB。由于目前1幀圖像信息通暢包含640*480個像素，每個像素占用1~3B，而市面上很多視頻存儲器由于容量限制，無法存儲1幀圖像的完整信息，其工作頻率達50MHz。AL422B應用的要點如下：

1、384k*8b FIFO，支持VGA/CCIR/NTSC/PAL和HDTV分片率

2、獨立的讀/寫操作可接受不同的I/O數(shù)據(jù)率

3、高速異步串行存取，讀寫時鐘周期為20ns

4、輸出使能控制，自行刷新數(shù)據(jù)

5、工作電壓可為5V或3.3V

1.2.3 CPLD視頻采集器

這一部分的核心控制是由可編程門陣列FPGA發(fā)展為圖像采集處理的高速化、小型化、智能化開辟了新的空間。核心控制CPLD選用Altera公司的EMP7128SL85-15,主要用它來完成FIFO寫控制，通知DSP讀數(shù)據(jù)信號的產(chǎn)生等功能。EPM7128SL85-15具有2500個可用邏輯門，128個宏單元，8個邏輯塊，讀寫速度為15ns，帶有67個可供用戶使用的I/O引腳，PLCC封裝，可通過JTAG接口實現(xiàn)在線片成。通過硬件描述語言(VHDL)在集成開發(fā)環(huán)境MAX PLUS Ⅱ下完成邏輯設(shè)計，提高了系統(tǒng)的可靠性，又降低了成本。CPLD的核心任務(wù)是是實現(xiàn)AL422B芯片的需要。

1.2.4 DSP數(shù)字信號處理器

采用TI公司的TMS320VC5402 DSP讀取AL422B中的視頻數(shù)據(jù)，并經(jīng)過軟件對其進行實時處理，處理后數(shù)據(jù)量將大大減少。TMS320VC5402 DSP主要特點如下：

先進的改造型哈佛結(jié)構(gòu)，操作速率可達100MI/S。先進的多總線結(jié)構(gòu)，3條16b數(shù)據(jù)存儲總線和1條程序存儲總線;40b算術(shù)邏輯單元，包括1個40b桶形移位器和2個40b累加器;一個17*17乘法器和1個40b專用加法器，允許16b帶符號的懲罰;8個輔助寄存器及1個軟件棧，數(shù)據(jù)/程序?qū)ぶ房臻g1Mb*16b，內(nèi)置4k*16bROM和16k*16bRAM;內(nèi)置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器，鎖相環(huán)時鐘產(chǎn)生器，2個多通道緩沖串行口，1個8b并行于外部處理器通信的HPI口，2個16b定時器以及6個通道DMA控制器;低功耗，工作電源有3V和1.8V。

2、 智能運動系統(tǒng)

2.1 運載系統(tǒng)

2.1.1 運載系統(tǒng)的原理框圖

通過前面的圖像處理系統(tǒng)計算出的擊球點的位置，計算出小車的行進路線輸出給小車的驅(qū)動系統(tǒng)，使小車行駛到指定地點。

2.1.2 運載實現(xiàn)系統(tǒng)的主要部件

1、 機器人小車驅(qū)動系統(tǒng)機器人小車驅(qū)動系統(tǒng)由控制器、功率變換器及電動機三個主要部分組成。

( 1) 電機數(shù)量的選擇為了讓小車能靈活轉(zhuǎn)彎采用三輪小車, 前輪是拖動輪, 兩個后輪分別用兩臺電機驅(qū)動。當分別改變兩臺電機方向時, 可以使小車前進、后退和轉(zhuǎn)彎。

( 2) 電機種類的選擇電動小車采用伺服電動機驅(qū)動系統(tǒng)。伺服電動機機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性, 動態(tài)響應快, 控制精度高, 可靠性高, 是自動控制系統(tǒng)中一種很好的執(zhí)行元件。加上合適的驅(qū)動系統(tǒng), 完全可以完成機器人的各種功能。

2、 車速及路程計算模塊的選擇

采用開關(guān)型霍爾集成片, 在車輪上均勻地固定多個磁鐵, 車輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生脈沖, 通過脈沖的計數(shù),對速度進行測量。用轉(zhuǎn)速乘以車輪的周長, 就是小車行駛的路程。由于霍爾傳感器體積小, 靈敏度高,傳送過程中無抖動現(xiàn)象且檢測安裝簡單, 廣泛應用于電機測速系統(tǒng)。

3、 電源選擇方案

根據(jù)小車需要不停地運動, 采用單一電源供電方案, 電方式比較簡單,但由于電動機起動瞬間電流很大, 而且PWM 驅(qū)動的電動機電流波動較大, 會造成電源電壓不穩(wěn), 影響其他電路的正常工作。此方案將電機驅(qū)動利用光電耦合器進行連接。這樣可以解決由于PWM 驅(qū)動的電動機電流波動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響, 從而提高了系統(tǒng)的可靠性。2.2 球桿系統(tǒng)

2.2.1 球桿系統(tǒng)的原理框圖

根據(jù)圖像處理分析所得的桌面各球分布情況，和單片機編程語言中所設(shè)定選擇各球的順序，確定了目標球的位置。小車運行至球桿能夠擊到白球的距離范圍內(nèi)，此小車移動過程中，球桿收至與球桌邊緣平行的方向，電機W1和W2均停止轉(zhuǎn)動。

到達擊球范圍內(nèi)時，小車停止運行，根據(jù)圖像處理結(jié)果，以小車所在邊緣為基線，分析球桿所應該旋轉(zhuǎn)的角度，把該信息賦予PIC32單片機，然后，通過單機片發(fā)送脈沖信號到步進電機驅(qū)動器M1，控制步進電機W1完成相應角度的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)過程中，為了提高步進電機運行到位的，從起始到接近所需角度的過程中，可以用連續(xù)高頻脈沖縮短時間，然后在接近預定值的時候，則選用間斷低頻脈沖控制電機點動到位，中斷其運行。

接著，根據(jù)圖像處理結(jié)果，分析其桌球運動的路徑長度，在單片機中預設(shè)相應的長度范圍，將其所需力度分為從高到低分為五檔;接著，通過單片機接收力度檔位信息，發(fā)送相應的脈沖到伺服電機驅(qū)動器M2，使伺服電機W2分別以不同的速度連續(xù)轉(zhuǎn)動一周，結(jié)束之后中斷其運行。

由于電機W2的轉(zhuǎn)動，帶動曲柄滑塊機構(gòu)的球桿做急回運動，快速擊球，然后較緩慢地返回原位置。

擊球完畢，白球獲得預定方向的速度接著進行擊打彩球入袋，然后各球按照后續(xù)運動軌跡運行至動能為零靜止。

等待桌面各球靜止，重新掃描桌面情況，進行新一輪的圖像處理分析，選擇下一個擊球目標，球桿旋轉(zhuǎn)收回到與球桌邊緣平行，小車運行至下一個目標的擊球距離范圍。

2.2.1 球桿系統(tǒng)的主要部件

步進電機W1

W1用于旋轉(zhuǎn)調(diào)整球桿部分的角度。

步進電機是數(shù)字控制電機，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據(jù)上述線性關(guān)系，再加上步進電機只有周期性誤差而無累積誤差，因此步進電機適用于單片機控制。步進電機通過輸入脈沖信號進行控制，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖總數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖的信號頻率決定。

直流伺服電機W2

W2用于控制球桿擊球的速度。

伺服電動機機械特性和調(diào)節(jié)特性均為線性, 動態(tài)響應快, 控制精度高, 可靠性高, 是自動控制系統(tǒng)中一種很好的執(zhí)行元件。加上合適的驅(qū)動系統(tǒng), 完全可以按照準確的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向完成各種功能。

步進電機驅(qū)動器L297芯片

步進電機的驅(qū)動是根據(jù)單片機產(chǎn)生的控制信號進行工作。因此，通過向步進電機驅(qū)動電路發(fā)送信號就能實現(xiàn)對步進電機的控制。

L297芯片是具有20管腳的雙列直插式塑膠封裝的步進電機驅(qū)動器。它最多可產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，能用半步(八拍)和全步(四拍)等方式驅(qū)動單片機控制雙相兩極或四相單極步進電機。其核心是脈沖分配器，L297還設(shè)有兩個PWM斬波器來控制繞線組電流。是想愛你恒流斬波控制。適用于雙極性兩相步進電機或單極性四相步進電機的控制。L297只需從上位機接受方向(正、反轉(zhuǎn))，模式(半步、基本步距)，時鐘(步進脈沖)3個輸入信號。其工作初始狀態(tài)是ABCD=0101

L297驅(qū)動器M1的輸出控制步進電機W1。

伺服電機驅(qū)動器BA6688L和BAL6686芯片

由單片機產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)接收通道進入信號解調(diào)電路BA6688L的12腳進行解調(diào), 獲得一個直流偏置電壓, 該直流偏置電壓與電位器的電壓比較, 由BA6688L 的3腳輸出,送入電機驅(qū)動集成電路BAL6686, BAL6686 的輸出信號驅(qū)動伺服電動機W2。改變PWM 信號的占空比,可以控制電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

標準球桿

球桿擊球端設(shè)置為圓球狀光滑表面結(jié)構(gòu);中間部分套在固定的小車基座上;在小車基座的兩固定端設(shè)計為一個曲柄滑塊機構(gòu)，控制球桿擊打白球。

3、單片機的選擇

單片機選用microship公司的Cerebot 32MX4系列單片機。該Cerebot 32MX4的主要特點是具有一個全新Microchip® PIC32™微控制器。PIC32可提供工作頻率80MHz的32位MIPS處理器內(nèi)核、512KB的編程FLASH、32KB的RAM內(nèi)存以及眾多的外圍設(shè)備。這些設(shè)備包括USB控制器、定時器/計數(shù)器、串口控制器、A/D轉(zhuǎn)換器以及更多的設(shè)備。該板具有大量的I/O接口和電源選項，其中也包括USB電源。它同時還具有與Microchip MPLAB開發(fā)軟件相兼容的內(nèi)置編程、調(diào)試電路。 Cerebot 32MX4擁有九個Digilent Pmod™外圍模塊連接器。可連接的Digilent Pmod包括H-bridge驅(qū)動、模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器、蜂鳴器、滑動開關(guān)、按鍵開關(guān)、LED指示燈、以及易于連接的轉(zhuǎn)換器。

主要 用來實現(xiàn)對dsp數(shù)字信號處理器的部分數(shù)據(jù)進行處理，與單片機獲得的其他系統(tǒng)信息進行綜合分析，輸出系統(tǒng)所需的控制信號，對其他部分的運動進行分析和控制。

三、軟件流程

(一)系統(tǒng)軟件流程

在每次工作之前都要對單片機進行初始化設(shè)置，然后再由單片機控制系統(tǒng)的運作，總流程如右圖所示：

先啟動圖像處理系統(tǒng)，對采集到的信息進行分析和處理。得到擊打臺球的位置。根據(jù)圖像處理系統(tǒng)的結(jié)果，通過單片機啟動伺服電機，使小車運行到指定位置，然后控制步進電機調(diào)節(jié)球桿的角度，通過機械方式打擊出球。

(二)、圖像處理系統(tǒng)的軟件流程

在CMOS攝像機開始輸出信號之前，需要對OV6620的寄存器進行配置，使其輸出系統(tǒng)所需要的圖像格式。

在每次系統(tǒng)設(shè)定工作都要對CMOS寄存器進行設(shè)置，我們通過單片機對其進行初始化設(shè)置，主要是設(shè)置表中的寄存器。系統(tǒng)流程圖如圖2。系統(tǒng)執(zhí)行上電加載DSP程序，初始化程序后，單片機初始化OV6620和AL422B芯片。然后DSP即發(fā)送開始采集指令給CPLD，實現(xiàn)總線控制權(quán)交接，CPLD獲得總線控制權(quán)。通過CMOS采集一幀圖像解碼后存到FIFO存儲器中，當一幀數(shù)據(jù)寫入幀緩存后，CPLD關(guān)閉CMOS輸出，放棄總線控制權(quán)，并發(fā)送信號給DSP，進入圖像處理程序。DSP通過緩存器和CLPD獲得圖像數(shù)據(jù)，同時處理后數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇IC進行電機控制部分。

我們采取的是一種基于DSP和CLPD結(jié)構(gòu)的圖像采集和處理系統(tǒng)設(shè)計方法。CPLD實質(zhì)上起到總線控制器的作用，DSP制作圖形算法使用，圖像采集獨立自主進行，不參與采集過程，節(jié)省了DSP的時間，實時性好，實現(xiàn)了模塊化設(shè)計的思想。系統(tǒng)軟件對圖像進行灰度、邊緣提取、反色的算法。

(三)、智能化系統(tǒng)的軟件流程

1.、小車系統(tǒng)軟件流程

1、1 伺服電機驅(qū)動電路

下圖為伺服電動機驅(qū)動電路, 本系統(tǒng)有兩組驅(qū)動電路, 分別負責兩個后輪電動機的驅(qū)動, 控制電機的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)角)。首先由單片機產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)接收通道進入信號解調(diào)電路BA 6688L的12腳進行解調(diào), 獲得一個直流偏置電壓, 該直流偏置電壓與電位器的電壓比較, 由BA6688L 的3腳輸出,送入電機驅(qū)動集成電路BAL6686, BAL6686 的輸出信號驅(qū)動伺服電動機。改變PWM 信號的占空比,可以控制電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。

1、2 測速檢測電路的設(shè)計與實現(xiàn)

霍爾集成傳感器是將霍爾元件、放大器、施密特觸發(fā)器以及輸出電路集成在一塊芯片上, 為用戶提供一種簡單化的和比較完善的磁敏傳感器。霍爾傳感器測速的原理: 傳感器的位置固定在靠近小車車輪的適當位置, 小車的輪上裝幾個磁鐵, 每當磁鐵轉(zhuǎn)過霍爾傳感器時, 引起磁場的變化。霍爾集成傳感器分為線性型和開關(guān)型兩大類, 本系統(tǒng)中選用的是開關(guān)型霍爾集成傳感器SS44E。SS44E 傳感器的信號放大器將霍爾元件產(chǎn)生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓放大后再經(jīng)信號變換器, 驅(qū)動器進行整形,放大后輸出幅度相等, 頻率變化的方波信號脈沖, 計算脈沖的個數(shù), 即可確定旋轉(zhuǎn)物體的速度。如我們在小車的軸上安裝了4塊磁鐵, 則車輪旋轉(zhuǎn)一周霍爾傳感器計數(shù)4個脈沖。用1m in計量的脈沖數(shù)除以4就是小車的轉(zhuǎn)速。

2、球桿系統(tǒng)軟件流程

在步進電機控制電路開始工作之前，需要對驅(qū)動器L297的主要參數(shù)進行初始化，然后對它進行將要運算控制的配置。

當導路小車到達擊球距離范圍內(nèi)靜止的時，單片機中斷，并跳轉(zhuǎn)到步進電機W1驅(qū)動電路，首先，單片機對步進電機驅(qū)動器M1進行初始化，然后驅(qū)動步進電機驅(qū)動器對步進電機W1進行初始化，單片機把相應頻率的脈沖信號傳送至驅(qū)動器M1，通過驅(qū)動器的緩存配置，控制電機W1按照要求的N個脈沖進行逆時針或者順時針步進運行，直到旋轉(zhuǎn)相應的α角后，電機W1驅(qū)動電路中斷;單片機中斷，跳出到伺服電機驅(qū)動電路W2，對伺服電機驅(qū)動器M2進行初始化，然后驅(qū)動伺服電機驅(qū)動器對伺服電機W2進行初始化，單片機把相應頻率的連續(xù)脈沖信號傳送至驅(qū)動器M2，通過驅(qū)動器的緩存配置，控制電機W2作順時針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到旋轉(zhuǎn)滿一周后，電機W2驅(qū)動電路中斷，電機W2旋轉(zhuǎn)過程中帶動機械曲柄滑塊機構(gòu)做急回運動，快速擊打白球，使得白球運動擊打彩球入袋。擊球完畢，再次驅(qū)動電機W1逆向旋轉(zhuǎn)α角，至原初始與球桌邊緣平行的位置。則一次單片機控制擊打制定目標球過程結(jié)束。

該球桿系統(tǒng)中，通過對圖像處理后的目標結(jié)果進行定位，然后采用了高精度的單片機控制步進電機電子電路，伺服電機帶動球桿機械運動和機構(gòu)傳動進行擊球，實現(xiàn)了一個較為智能化的智能桌球機器人。