本文档是关于2017年全国大学生电子设计竞赛(B题)的滚球控制系统的研究论文。该控制系统旨在实现小球的精确镇定控制和轨迹跟踪,通过摄像头采集图像信息,通过二值化处理获取小球的位置数据,并结合增量式PID算法进行控制。
1. **系统方案**:
- **控制方案设计**:系统采用LCD显示屏、矩阵键盘、摄像头和舵机等设备,用户通过键盘输入指令选择控制程序。摄像头负责实时监控小球位置,PID算法(比例、积分和微分环节)确保快速响应、无静差以及减少超调,实现小球对目标位置的精准追踪。
- **机械结构设计**:考虑到平板的尺寸和摄像头的俯拍需求,设计了稳定的底座和摄像头支架,确保装置的稳定性。使用轻质硬质塑料泡沫材料结合舵机轴,兼顾了连接的稳固性和灵活性。电机的选择注重推力,满足轨迹移动和快速停止的需求。
2. **理论分析与计算**:
- **摄像头检测算法**:论文详细探讨了如何通过摄像头捕捉图像并进行小球位置的计算,涉及图像处理技术。
- **增量式PID控制算法**:论文深入解析了该控制算法的工作原理和在实际应用中的优化策略,包括如何调整比例、积分和微分参数以提高系统的动态性能。
3. **电路与程序设计**:
- **电路设计**:论文讨论了电路的具体布局,可能包括摄像头接口、单片机接口以及电机驱动电路等部分。
- **程序设计**:程序设计部分详细描述了程序的功能模块、设计思路,以及流程图,展示了如何将PID控制逻辑编码到实际操作中。
4. **测试方案与结果**:
- **测试方案**:论文提供了详细的测试计划,包括测试条件、所需仪器和预期的测量指标。
- **测试结果与分析**:作者分享了实际测试的结果,包括小球运动的精度、响应时间和稳定性等方面的数据,并对其进行了深入的分析和结论。
5. **结论与心得**:论文总结了整个设计过程中的关键发现、挑战和解决方案,以及对未来研究的建议,强调了增量式PID算法在滚动控制系统中的重要性。
本文的研究不仅展示了设计过程和技术应用,还提供了关于PID控制器参数调整和图像处理在类似系统中的实用经验,对于电子设计爱好者和研究者来说具有很高的参考价值。