基于視覺檢測的板球系統(tǒng)控制研究

李愛蓮 吳何琛

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭014010)

0 引言

板球系統(tǒng)是一個典型的多變量、非線性、強(qiáng)耦合的控制系統(tǒng)，是球桿系統(tǒng)的二維擴(kuò)展[1-2]。板球系統(tǒng)是以圖像作為反饋信息，通過轉(zhuǎn)動平板的角度來控制小球運(yùn)動軌跡的實(shí)驗(yàn)研究設(shè)備，適用于自動控制算法、機(jī)器視覺、機(jī)器人軌跡規(guī)劃等領(lǐng)域研究。作為自動化領(lǐng)域的一個非常重要的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，它不但有助于學(xué)生更好地的理解所學(xué)到的控制理論，也為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)，提供了非常好的實(shí)驗(yàn)平臺。

本文主要研究不同的視覺檢測方法在板球系統(tǒng)的應(yīng)用效果，選擇了以最大值法進(jìn)行灰度化處理，重新設(shè)計了圖像處理的過程，從而提高了系統(tǒng)的快速性。

圖3 平均值法二值化

1 板球系統(tǒng)的視覺檢測

針對板球系統(tǒng)攝像頭采集的圖像，首先要進(jìn)行灰度化處理，將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，以便減少圖像的原始數(shù)據(jù)量。常用的灰度化方法包括平均值法、加權(quán)平均法和最大值法，原系統(tǒng)采用平均值法。平均值法和最大值法的處理結(jié)果分別如圖1和圖2所示。

圖1 平均值法

圖2 最大值法

圖4 最大值法二值化

通過兩種方法的對比可知，采用平均值法能夠很清晰地顯示小球和坐標(biāo)軸，缺點(diǎn)是后續(xù)步驟非常繁瑣。和平均值法相比，采用最大值法圖像數(shù)據(jù)量只有一半，而且無需濾波和邊緣檢測，但坐標(biāo)軸不明顯，無法對小球位置進(jìn)行計算。

本文采用最大值法，以攝像頭所采集圖像中心點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，重新建立坐標(biāo)軸，查找小球質(zhì)心位置的程序如下所示：

2 運(yùn)行結(jié)果

以內(nèi)蒙古科技大學(xué)智能控制實(shí)驗(yàn)室的視覺板球系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺，讓小球分別以圓形軌道和矩形軌道的運(yùn)動軌跡對兩種方法進(jìn)行比較，圖5和圖7是原系統(tǒng)采用平均值法的運(yùn)動軌跡圖，圖6和圖8是采用最大值法的運(yùn)動軌跡圖。

圖5 平均值法圓形軌道

通過以上四圖，可以對小球的預(yù)期運(yùn)動軌跡和實(shí)際運(yùn)動軌跡相比較。和圖5以及圖7相比而言，圖6以及圖8中小球的實(shí)際位置和預(yù)期位置更為接近，說明板球系統(tǒng)的快速性更好。

圖6 最大值法圓形軌道

圖7 平均值法矩形軌道

圖8 最大值法矩形軌道

3 結(jié)論

通過以上試驗(yàn)可以得知，采用最大值對板球系統(tǒng)攝像頭采集的圖像進(jìn)行灰度化處理，不僅數(shù)據(jù)量減少一半，還省略了濾波和邊緣檢測這兩步，因而大幅度提高了計算機(jī)的運(yùn)行速度，使板球系統(tǒng)的快速性有所提高。

［1］Hauser J,Sastry S,Kokotovic P.Nonlinear Control Via Approximate Input-output Linearization：the Ball and Beam Example[J].IEEE Transactions on Automatic Control，1992，37（3）：392－398．

［2］HUMUSOFT Ltd.Use's manual for CE151-Ball&Plate Apparatus[Z]．1993．