基于STM32的板球控制系统的优化设计与研究
作者：张鹤严邵天洋
来源：《科技创新导报》2020年第16期
摘 ; 要：板球系统是一个比较复杂的，具有非线性的不稳定系统，它既可以作为实验模型也具有其复杂性并与诸多控制类系统具有共通性，所以实现其稳定性的控制，是一项重要的课题。本文以平板上运动的小球作为被控对象，摄像头将采集到小球的位置图像，反馈给
STM32系列单片机，来控制动作电机以对小球进行轨迹规划、定位控制等，从而探寻和验证机器人稳定移动的方法。从简单的电机稳定控制，到变积分PID调节，实现了电机的速度内环和位置外环的双闭环控制，最后对图像数据进行了优化处理。建立了一个控制机器人平衡的模型，给机器人研究工作者提供了新的平衡控制和优化数据的方法。
关键词：PID调节 ;板球控制系统 ;图传数据优化 ;STM32系列单片机
中图分类号：TP273+.4 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文献标识码：A ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0152-03
Abstract： The cricket system is a complex， nonlinear and unstable system. It can be used as an experimental model， but also has its complexity and is in common with many control systems. Therefore， it is an important task to control its stability. In this project， a small ball moving on the plate is taken as the controlled object. By collecting the position image of the ball from the camera and feeding it back to the STM32 series SCM， the motor is controlled to conduct trajectory planning and positioning control for the ball， so as to explore and verify the method of stable movement of the robot. From the simple motor stability control to the variable integral PID regulation， the motor speed inner loop and the position of the outer loop of the double closed-loop control， finally the image data optimization processing. A balance control model is established， which provides a new method of balance control and data optimization for robot researchers.
Key Words： PID regulation; Cricket control system; Optimization of graph transmission data; STM32 series SCM
目前，机器人被广泛应用于汽车、飞机、轮船、手机、家电、等方面。在操作方面，机器人从根本上讲是处于不稳定状态的，很难将其进行稳定控制，所以在实际应用中存在诸多的问题，而控制系统的稳定性则是其中一个至关重要的话题。
现如今板球控制系统的滤波和PID算法两方面相关的技术已经接近成熟，很再难有所突破，但板球控制系统的处理速度和稳定性的确还有待优化和提升，所以我们决定在前人的基础上寻求突破，通过在摄像头图像处理和传回的帧数组上进行创新，以小范围预期扫描、缩小成像规模，来优化程序复杂而引起的处理速度缓慢、反应迟钝等问题，从提高运作效率方面切入作为突破的契机。
1 ;系统方案
本系统主要由机械模块、芯片控制模块、摄像头图传模块、动作模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模塊的选择。
1.1 处理芯片的论证与选择
方案一：STC51系列单片机是在现应用较为广泛的单片机中价格较为低廉的一种：其内部集成专用复位电路，2路PWM，针对电机控制，强干扰场合，但是此芯片的晶振频率较低，而且性能很差，当传输数据量较大时速度难以满足运算要求，并且无法承担复杂的运算以及图像显示。该系列其功能单一，片内资源匮乏，且需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。
方案二：STM32F103系列单片机是在STM32系列单片机中价格最低的芯片，此芯片为ARM 32位的Cortex-M3，具有最高72MHz工作频率，可进行单周期乘法和硬件除法，较STC51系列单片机相比性能优越，且IO口及片内硬件资源丰富，可轻松进行大量的运算。但对于摄像头等高速器件处理能力仍然较差，如果加入一些复杂的算法后如：霍夫曼圆算法等，处理器的处理速度会达不到预期效果而出现传回图像卡成PPT的现象，难以应付大量的复杂运算。
方案三：STM32F429系列单片机是在STM32系列单片机中价格较高的芯片，此系列芯片较F1系列芯片相比，内核为Cortex-M4，具有最高180MHz工作频率，并且主频带DSP，不少的集成外设被加强，而且存储器的Flash和SRAM加大了很多，相对来讲此类芯片性价比更高。
综上所述本系统芯片选择为方案三。
1.2 机械结构与硬件选择
1.2.1 机械结构
板球控制系统的机械结构具有2个自由度，平板中心为支撑点下方与底板上的支撑杆相连，在相邻两侧中心点的下方分别与底板上的动作电机机臂相连，在转动过程中，因支撑杆对平板的力矩沿板边方向，所以当两个动作电机工作时，产生的力矩互相垂直，由此可减少两向力之间的相互干扰，降低了系统控制时的耦合度。实体结构如下图1所示。
1.2.2 摄像头图传模块：OV2640
OV2640是OmniVision公司生产的1/4寸的CMOS UXGA（1632×1232）图像传感器;拥有200万像素和较大的可视区域，支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹等自动控制功能。UXGA最高15帧/s，SVGA可达30帧，CIF可达60帧;并且支持DCMI传输和SCCB通信协议，是在诸多图传模块中性价比较高的一款摄像头。
1.2.3 动作模块：MG995数字舵机
在诸多电机中，在考虑成本的基础上可作为动作模块的电机大致可分为两种：舵机和步进电机。但由于步进电机的运动速度取决于细分并且可能存在丢步现象，因此其稳定性和响应速度都不及舵机，而舵机中SG90系列舵机（小蓝舵机）与数字舵机相比，虽价格低廉，但其稳定性和扭矩都较低因此满足不了控制系统的要求，所以我们选择了GM995数字舵机。
1.2.4 电源模块：航模电池连接可调式稳压模块
