基于PIC單片機及圖像處理技術(shù)設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體育運動(dòng)。隨著(zhù)各種運動(dòng)的興起發(fā)展，臺球以其內涵高雅、放松身心的特點(diǎn)越來(lái)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(guò)程的廣泛應用，色度學(xué)、先進(jìn)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)展和電機驅動(dòng)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(gè)人的情況之下也可以享受臺球帶來(lái)的娛樂(lè )、休閑。

我們這次設計的智能臺球機器是以PIC單片機為核心的控制系統，結合了圖像處理技術(shù)，PIC單片機控制電機系統，以及機械機構設計技術(shù)等方面的知識，利用了各種芯片來(lái)實(shí)現對臺球系統的圖像采集處理技術(shù)，同時(shí)，使用各種電機來(lái)控制機器人的運動(dòng)和球桿的揮灑角度和力度系統。在系統結構上本設計的系統可以分為兩個(gè)方面：圖像處理系統、智能運動(dòng)系統。智能運動(dòng)系統又包含兩個(gè)內容：運載系統和球桿系統。圖像處理系統采集桌面臺球的各種信息;智能運動(dòng)系統通過(guò)各種電機實(shí)現機器人的運動(dòng)和揮球運動(dòng)。

系統總體機構

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

(一)、系統總體布局與原理框圖

通過(guò)microchip公司生產(chǎn)的32位PIC單片機對CMOS采集過(guò)來(lái)的圖像信息分析處理，然后向各個(gè)電機驅動(dòng)電路發(fā)送相應的指令信息，控制電機的轉向和轉速，執行小車(chē)的運動(dòng)，球桿瞄準，以及控制球桿擊球的力度各項操作，完成一個(gè)智能臺球機器人的自動(dòng)捕捉和擊球全過(guò)程。其原理框圖如下所示：

(二)、系統的技術(shù)特點(diǎn)

該智能臺球機器人結合了圖像處理系統，PIC單片機控制電機系統，以及機械機構系統等方面的知識，是一個(gè)跨學(xué)科，多領(lǐng)域知識交叉的產(chǎn)品設計。智能臺球機器人主要是由圖像處理系統、電機驅動(dòng)和測速系統，以及機械機構系統來(lái)協(xié)調完成智能擊球過(guò)程的。

圖像采集上對比CCD攝像頭的特點(diǎn)CMOS攝像頭不需要用視頻采集卡就能輸出數字信號，內帶A/D轉換，系統體積較小。

圖像處理上利用CPLD和DSP協(xié)調的模塊，大大減少需要傳輸的數據，加快了系統的傳輸速度，提高了上位機的工作效率。

運載系統主要利用伺服電機驅動(dòng)，伺服電動(dòng)機機械特性和調節特性均為線(xiàn)性, 動(dòng)態(tài)響應快, 控制精度高, 可靠性高, 是自動(dòng)控制系統中一種很好的執行元件。

球桿系統主要通過(guò)步進(jìn)電機W1控制球桿的轉角來(lái)對擊球角度的瞄準，步進(jìn)電機是數字控制電機，電機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據上述線(xiàn)性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，因此步進(jìn)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(shí)現準確擊球入袋的任務(wù)。

(三)、系統硬件組成及工作原理

1、 圖像處理系統

1.1 圖像處理系統的原理框圖

根據智能攝像機的工作原理，結合以前的數字圖像處理研究的成果，本圖像采集系統設計包括圖像采集、圖像存儲、數據處理三個(gè)部分。對比CCD與CMOS圖像傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用CMOS數字圖像傳感器來(lái)構建系統的數字化采集單元。

系統原理如圖1-1所示，通過(guò)攝像頭獲取桌面球的位置與顏色信息，通過(guò)CPLD采集控制器和FIFO幀處理器來(lái)進(jìn)行圖像存儲，并將數字信號傳輸到DSP數字信號處理器進(jìn)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(jìn)行控制，來(lái)實(shí)現電機的運動(dòng)。

1.2 圖像處理系統的主要部件

1.2.1 CMOS圖像傳感器

我們采用的CMOS數字攝像頭是OV6620。

OV6620采用PAL制式(國內的普通電視機制式)，每秒25幀，分辨率為356*292，內部集成了AD轉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(lái)使用，比如調焦時(shí)，這時(shí)可以將視頻信號端接至OV6620的VTO端即可。

OV6620的優(yōu)點(diǎn)：供電電壓低，簡(jiǎn)化電路;內部集成AD和視頻分離模塊，簡(jiǎn)化電路，并且使得采集程序簡(jiǎn)單，采集質(zhì)量高;視頻信號轉換在內部進(jìn)行，減輕CPLD控制器負擔。

OV6620共有32個(gè)引腳，但我們真正能用到的不多。我在做智能車(chē)時(shí)僅僅用到13個(gè)引腳，其他引腳并未使用?，F在把常用的引腳列出來(lái)： Y0~Y7(數據輸出端，接單片機IO口)、VSYNC(場(chǎng)中斷信號端)、HREF(行中斷信號端)、VCC(接5V)、GND(接地)、VTO(接視頻采集卡調焦)，其他可能會(huì )使用到的引腳：PCLK(像素同步信號端)、FODD(奇偶場(chǎng)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-處理的共享數據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(gè)像素，每個(gè)像素占用1~3B，而市面上很多視頻存儲器由于容量限制，無(wú)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(diǎn)如下：

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

2、獨立的讀/寫(xiě)操作可接受不同的I/O數據率

3、高速異步串行存取，讀寫(xiě)時(shí)鐘周期為20ns

4、輸出使能控制，自行刷新數據

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(mén)陣列FPGA發(fā)展為圖像采集處理的高速化、小型化、智能化開(kāi)辟了新的空間。核心控制CPLD選用Altera公司的EMP7128SL85-15,主要用它來(lái)完成FIFO寫(xiě)控制，通知DSP讀數據信號的產(chǎn)生等功能。EPM7128SL85-15具有2500個(gè)可用邏輯門(mén)，128個(gè)宏單元，8個(gè)邏輯塊，讀寫(xiě)速度為15ns，帶有67個(gè)可供用戶(hù)使用的I/O引腳，PLCC封裝，可通過(guò)JTAG接口實(shí)現在線(xiàn)片成。通過(guò)硬件描述語(yǔ)言(VHDL)在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MAX PLUS Ⅱ下完成邏輯設計，提高了系統的可靠性，又降低了成本。CPLD的核心任務(wù)是是實(shí)現AL422B芯片的需要。

1.2.4 DSP數字信號處理器

采用TI公司的TMS320VC5402 DSP讀取AL422B中的視頻數據，并經(jīng)過(guò)軟件對其進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，處理后數據量將大大減少。TMS320VC5402 DSP主要特點(diǎn)如下：

先進(jìn)的改造型哈佛結構，操作速率可達100MI/S。先進(jìn)的多總線(xiàn)結構，3條16b數據存儲總線(xiàn)和1條程序存儲總線(xiàn);40b算術(shù)邏輯單元，包括1個(gè)40b桶形移位器和2個(gè)40b累加器;一個(gè)17*17乘法器和1個(gè)40b專(zhuān)用加法器，允許16b帶符號的懲罰;8個(gè)輔助寄存器及1個(gè)軟件棧，數據/程序尋址空間1Mb*16b，內置4k*16bROM和16k*16bRAM;內置可編程等待狀態(tài)發(fā)生器，鎖相環(huán)時(shí)鐘產(chǎn)生器，2個(gè)多通道緩沖串行口，1個(gè)8b并行于外部處理器通信的HPI口，2個(gè)16b定時(shí)器以及6個(gè)通道DMA控制器;低功耗，工作電源有3V和1.8V。

2、 智能運動(dòng)系統

2.1 運載系統

2.1.1 運載系統的原理框圖

通過(guò)前面的圖像處理系統計算出的擊球點(diǎn)的位置，計算出小車(chē)的行進(jìn)路線(xiàn)輸出給小車(chē)的驅動(dòng)系統，使小車(chē)行駛到指定地點(diǎn)。

2.1.2 運載實(shí)現系統的主要部件

1、 機器人小車(chē)驅動(dòng)系統機器人小車(chē)驅動(dòng)系統由控制器、功率變換器及電動(dòng)機三個(gè)主要部分組成。

( 1) 電機數量的選擇為了讓小車(chē)能靈活轉彎采用三輪小車(chē), 前輪是拖動(dòng)輪, 兩個(gè)后輪分別用兩臺電機驅動(dòng)。當分別改變兩臺電機方向時(shí), 可以使小車(chē)前進(jìn)、后退和轉彎。

( 2) 電機種類(lèi)的選擇電動(dòng)小車(chē)采用伺服電動(dòng)機驅動(dòng)系統。伺服電動(dòng)機機械特性和調節特性均為線(xiàn)性, 動(dòng)態(tài)響應快, 控制精度高, 可靠性高, 是自動(dòng)控制系統中一種很好的執行元件。加上合適的驅動(dòng)系統, 完全可以完成機器人的各種功能。

2、 車(chē)速及路程計算模塊的選擇

采用開(kāi)關(guān)型霍爾集成片, 在車(chē)輪上均勻地固定多個(gè)磁鐵, 車(chē)輪轉動(dòng)時(shí)產(chǎn)生脈沖, 通過(guò)脈沖的計數,對速度進(jìn)行測量。用轉速乘以車(chē)輪的周長(cháng), 就是小車(chē)行駛的路程。由于霍爾傳感器體積小, 靈敏度高,傳送過(guò)程中無(wú)抖動(dòng)現象且檢測安裝簡(jiǎn)單, 廣泛應用于電機測速系統。

3、 電源選擇方案

根據小車(chē)需要不停地運動(dòng), 采用單一電源供電方案, 電方式比較簡(jiǎn)單,但由于電動(dòng)機起動(dòng)瞬間電流很大, 而且PWM 驅動(dòng)的電動(dòng)機電流波動(dòng)較大, 會(huì )造成電源電壓不穩, 影響其他電路的正常工作。此方案將電機驅動(dòng)利用光電耦合器進(jìn)行連接。這樣可以解決由于PWM 驅動(dòng)的電動(dòng)機電流波動(dòng)對系統穩定性的影響, 從而提高了系統的可靠性。2.2 球桿系統

2.2.1 球桿系統的原理框圖

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

到達擊球范圍內時(shí)，小車(chē)停止運行，根據圖像處理結果，以小車(chē)所在邊緣為基線(xiàn)，分析球桿所應該旋轉的角度，把該信息賦予PIC32單片機，然后，通過(guò)單機片發(fā)送脈沖信號到步進(jìn)電機驅動(dòng)器M1，控制步進(jìn)電機W1完成相應角度的旋轉。旋轉過(guò)程中，為了提高步進(jìn)電機運行到位的，從起始到接近所需角度的過(guò)程中，可以用連續高頻脈沖縮短時(shí)間，然后在接近預定值的時(shí)候，則選用間斷低頻脈沖控制電機點(diǎn)動(dòng)到位，中斷其運行。

接著(zhù)，根據圖像處理結果，分析其桌球運動(dòng)的路徑長(cháng)度，在單片機中預設相應的長(cháng)度范圍，將其所需力度分為從高到低分為五檔;接著(zhù)，通過(guò)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動(dòng)器M2，使伺服電機W2分別以不同的速度連續轉動(dòng)一周，結束之后中斷其運行。

由于電機W2的轉動(dòng)，帶動(dòng)曲柄滑塊機構的球桿做急回運動(dòng)，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(zhù)進(jìn)行擊打彩球入袋，然后各球按照后續運動(dòng)軌跡運行至動(dòng)能為零靜止。

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

2.2.1 球桿系統的主要部件

步進(jìn)電機W1

W1用于旋轉調整球桿部分的角度。

步進(jìn)電機是數字控制電機，將脈沖信號轉換成角位移，電機的轉速、停止的位置取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，非超載狀態(tài)下，根據上述線(xiàn)性關(guān)系，再加上步進(jìn)電機只有周期性誤差而無(wú)累積誤差，因此步進(jìn)電機適用于單片機控制。步進(jìn)電機通過(guò)輸入脈沖信號進(jìn)行控制，即電機的總轉動(dòng)角度由輸入脈沖總數決定，而電機的轉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(dòng)機機械特性和調節特性均為線(xiàn)性, 動(dòng)態(tài)響應快, 控制精度高, 可靠性高, 是自動(dòng)控制系統中一種很好的執行元件。加上合適的驅動(dòng)系統, 完全可以按照準確的轉速和轉向完成各種功能。

步進(jìn)電機驅動(dòng)器L297芯片

步進(jìn)電機的驅動(dòng)是根據單片機產(chǎn)生的控制信號進(jìn)行工作。因此，通過(guò)向步進(jìn)電機驅動(dòng)電路發(fā)送信號就能實(shí)現對步進(jìn)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(jìn)電機驅動(dòng)器。它最多可產(chǎn)生四相驅動(dòng)信號，能用半步(八拍)和全步(四拍)等方式驅動(dòng)單片機控制雙相兩極或四相單極步進(jìn)電機。其核心是脈沖分配器，L297還設有兩個(gè)PWM斬波器來(lái)控制繞線(xiàn)組電流。是想愛(ài)你恒流斬波控制。適用于雙極性?xún)上嗖竭M(jìn)電機或單極性四相步進(jìn)電機的控制。L297只需從上位機接受方向(正、反轉)，模式(半步、基本步距)，時(shí)鐘(步進(jìn)脈沖)3個(gè)輸入信號。其工作初始狀態(tài)是ABCD=0101

L297驅動(dòng)器M1的輸出控制步進(jìn)電機W1。

伺服電機驅動(dòng)器BA6688L和BAL6686芯片

由單片機產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)接收通道進(jìn)入信號解調電路BA6688L的12腳進(jìn)行解調, 獲得一個(gè)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,送入電機驅動(dòng)集成電路BAL6686, BAL6686 的輸出信號驅動(dòng)伺服電動(dòng)機W2。改變PWM 信號的占空比,可以控制電動(dòng)機的轉向和轉速。

標準球桿

球桿擊球端設置為圓球狀光滑表面結構;中間部分套在固定的小車(chē)基座上;在小車(chē)基座的兩固定端設計為一個(gè)曲柄滑塊機構，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(diǎn)是具有一個(gè)全新Microchip® PIC32™微控制器。PIC32可提供工作頻率80MHz的32位MIPS處理器內核、512KB的編程FLASH、32KB的RAM內存以及眾多的外圍設備。這些設備包括USB控制器、定時(shí)器/計數器、串口控制器、A/D轉換器以及更多的設備。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(shí)還具有與Microchip MPLAB開(kāi)發(fā)軟件相兼容的內置編程、調試電路。 Cerebot 32MX4擁有九個(gè)Digilent Pmod™外圍模塊連接器?？蛇B接的Digilent Pmod包括H-bridge驅動(dòng)、模數和數模轉換器、蜂鳴器、滑動(dòng)開(kāi)關(guān)、按鍵開(kāi)關(guān)、LED指示燈、以及易于連接的轉換器。

主要 用來(lái)實(shí)現對dsp數字信號處理器的部分數據進(jìn)行處理，與單片機獲得的其他系統信息進(jìn)行綜合分析，輸出系統所需的控制信號，對其他部分的運動(dòng)進(jìn)行分析和控制。

三、軟件流程

(一)系統軟件流程

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

先啟動(dòng)圖像處理系統，對采集到的信息進(jìn)行分析和處理。得到擊打臺球的位置。根據圖像處理系統的結果，通過(guò)單片機啟動(dòng)伺服電機，使小車(chē)運行到指定位置，然后控制步進(jìn)電機調節球桿的角度，通過(guò)機械方式打擊出球。

(二)、圖像處理系統的軟件流程

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

在每次系統設定工作都要對CMOS寄存器進(jìn)行設置，我們通過(guò)單片機對其進(jìn)行初始化設置，主要是設置表中的寄存器。系統流程圖如圖2。系統執行上電加載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(kāi)始采集指令給CPLD，實(shí)現總線(xiàn)控制權交接，CPLD獲得總線(xiàn)控制權。通過(guò)CMOS采集一幀圖像解碼后存到FIFO存儲器中，當一幀數據寫(xiě)入幀緩存后，CPLD關(guān)閉CMOS輸出，放棄總線(xiàn)控制權，并發(fā)送信號給DSP，進(jìn)入圖像處理程序。DSP通過(guò)緩存器和CLPD獲得圖像數據，同時(shí)處理后數據傳輸到PIC進(jìn)行電機控制部分。

我們采取的是一種基于DSP和CLPD結構的圖像采集和處理系統設計方法。CPLD實(shí)質(zhì)上起到總線(xiàn)控制器的作用，DSP制作圖形算法使用，圖像采集獨立自主進(jìn)行，不參與采集過(guò)程，節省了DSP的時(shí)間，實(shí)時(shí)性好，實(shí)現了模塊化設計的思想。系統軟件對圖像進(jìn)行灰度、邊緣提取、反色的算法。

(三)、智能化系統的軟件流程

1.、小車(chē)系統軟件流程

1、1 伺服電機驅動(dòng)電路

下圖為伺服電動(dòng)機驅動(dòng)電路, 本系統有兩組驅動(dòng)電路, 分別負責兩個(gè)后輪電動(dòng)機的驅動(dòng), 控制電機的轉向及轉速(轉角)。首先由單片機產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)接收通道進(jìn)入信號解調電路BA 6688L的12腳進(jìn)行解調, 獲得一個(gè)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,送入電機驅動(dòng)集成電路BAL6686, BAL6686 的輸出信號驅動(dòng)伺服電動(dòng)機。改變PWM 信號的占空比,可以控制電機的轉向和轉速。

1、2 測速檢測電路的設計與實(shí)現

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(hù)提供一種簡(jiǎn)單化的和比較完善的磁敏傳感器?；魻杺鞲衅鳒y速的原理: 傳感器的位置固定在靠近小車(chē)車(chē)輪的適當位置, 小車(chē)的輪上裝幾個(gè)磁鐵, 每當磁鐵轉過(guò)霍爾傳感器時(shí), 引起磁場(chǎng)的變化?；魻柤蓚鞲衅鞣譃榫€(xiàn)性型和開(kāi)關(guān)型兩大類(lèi), 本系統中選用的是開(kāi)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(chǎng)強度變化的霍爾電壓放大后再經(jīng)信號變換器, 驅動(dòng)器進(jìn)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(gè)數, 即可確定旋轉物體的速度。如我們在小車(chē)的軸上安裝了4塊磁鐵, 則車(chē)輪旋轉一周霍爾傳感器計數4個(gè)脈沖。用1m in計量的脈沖數除以4就是小車(chē)的轉速。

2、球桿系統軟件流程

在步進(jìn)電機控制電路開(kāi)始工作之前，需要對驅動(dòng)器L297的主要參數進(jìn)行初始化，然后對它進(jìn)行將要運算控制的配置。

當導路小車(chē)到達擊球距離范圍內靜止的時(shí)，單片機中斷，并跳轉到步進(jìn)電機W1驅動(dòng)電路，首先，單片機對步進(jìn)電機驅動(dòng)器M1進(jìn)行初始化，然后驅動(dòng)步進(jìn)電機驅動(dòng)器對步進(jìn)電機W1進(jìn)行初始化，單片機把相應頻率的脈沖信號傳送至驅動(dòng)器M1，通過(guò)驅動(dòng)器的緩存配置，控制電機W1按照要求的N個(gè)脈沖進(jìn)行逆時(shí)針或者順時(shí)針步進(jìn)運行，直到旋轉相應的α角后，電機W1驅動(dòng)電路中斷;單片機中斷，跳出到伺服電機驅動(dòng)電路W2，對伺服電機驅動(dòng)器M2進(jìn)行初始化，然后驅動(dòng)伺服電機驅動(dòng)器對伺服電機W2進(jìn)行初始化，單片機把相應頻率的連續脈沖信號傳送至驅動(dòng)器M2，通過(guò)驅動(dòng)器的緩存配置，控制電機W2作順時(shí)針連續旋轉，直到旋轉滿(mǎn)一周后，電機W2驅動(dòng)電路中斷，電機W2旋轉過(guò)程中帶動(dòng)機械曲柄滑塊機構做急回運動(dòng)，快速擊打白球，使得白球運動(dòng)擊打彩球入袋。擊球完畢，再次驅動(dòng)電機W1逆向旋轉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(guò)程結束。

該球桿系統中，通過(guò)對圖像處理后的目標結果進(jìn)行定位，然后采用了高精度的單片機控制步進(jìn)電機電子電路，伺服電機帶動(dòng)球桿機械運動(dòng)和機構傳動(dòng)進(jìn)行擊球，實(shí)現了一個(gè)較為智能化的智能桌球機器人。