滾球系統中機器視覺與電機調控的關聯研究

彭昕昀 陳錦儒

摘要：隨著科技快速發展，研究機器視覺與自動化設備的過程控制之間的關聯成了一個新熱點問題。本文以板球控制系統為研究對象，探討機器視覺與電機調控的關聯。基于機器視覺與電機的PID運動控制為設計背景，PC機控制工業相機獲得小球的實時位置信息，通過圖像處理轉換成小球的位置數據并使用串口傳輸到STM32主控系統，主控機獲取數據后實現小球的運動軌跡控制。整個系統設計過程中，機器視覺擔任著為電機調控提供實時數據的角色，為研究機器視覺與電機調控的關聯提供實驗基礎。

關鍵詞：機器視覺;運動控制;位置數據;PID算法

中圖分類號：TP247? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）22-0233-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Research on the Relationship Between Machine Vision and Motor Control in Ball Rolling System

PENG Xin-yun， CHEN Jin-ru

（School of Physics and mechanical engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005， China）

Abstract： With the rapid development of science and technology， the research on the relationship between machine vision and process control of automation equipment has become a new hot issue.In this paper， the cricket control system is taken as the research object， and the relationship between machine vision and motor control is discussed. Based on machine vision and PID motion control of the motor， the PC controls the industrial camera to obtain the real time position information of the small ball， which is converted into position data of the small ball through image processing and transmitted to the STM32 main control system through serial port. In the whole system design process， machine vision plays the role of providing real-time data for motor control， which provides the experimental basis for the research of the relationship between machine vision and motor control.

Key words： machine vision; Motion control; Location data; PID ALGORITHM

1 引言

隨著科技的快速發展，人工智能的不斷提出新型的控制概念。人工智能的發展已成為當今科技快速發展的必備條件之一，其中作為人工智能的主要分支的機器視覺在工業發展中占有極大地位。社會上的工業生產總存在一些工作需要耗費大量人力以及不適合人工工作的環境，所以機器代替人工就成了當今社會工業高速發展的必要需求，因此研究機器視覺與PID運動控制算法對工業發展極其重要。為了進一步研究機器視覺系統與電機調控的關聯，本文設計一個滾球控制系統模型，研究機器視覺對控制過程的影響。

2 系統模型

本文所設計的系統主要分成兩大部分：STM32控制的滾球裝置以及以PC機作為圖像處理核心的機器視覺系統，其滾球裝置效果圖如下所示：

基于STM32控制的滾球裝置主要由LM2596S直流可調降壓穩壓電源模塊實現電壓轉換，為整個裝置提供電源;控制核心STM32根據在PC機上開發的機器視覺系統，控制工業相機捕捉小球實時圖像信息并進行圖像識別，獲取小球當前位置數據。

輸出PWM信號驅動MG995舵機實現運動控制;使用串口通信的方式把小球位置數據傳輸到基于STM32作為主控核心的滾球裝置上，控制滾球裝置上的小球實現定點平衡靜止，畫直線運動，畫矩形操作等功能演示。其系統框圖如下圖所示：

3 機器視覺與電機調控的關聯

滾球控制系統的軟件設計主要包含兩大部分，分別是滾球的跟蹤與識別與舵機的運動控制。其中滾球的數據采集主要在Open CV圖像開發平臺上進行機器視覺系統開發程序編程，其中程序主要由仿射變換，輪廓提取，顏色識別;而舵機的控制主要依賴機器視覺系統提供滾球位置數據從而使用PID算法進行控制。為了更進一步研究機器視覺與舵機的控制聯系，系統設置了按鍵輸入端，通過按鍵輸入指令切換舵機的控制模式，滾球實現各種軌跡運動。

STM32控制系統調用工業相機進入圖像捕捉模式，獲取裝置底板四個頂點的數據以及小球的輪廓提取，調用迭代算法進行迭代，然后進行仿射變換，再使用顏色識別和輪廓提取等算法獲得小球的準確的位置信息，把小球的位置數據經過串口通訊傳輸到STM32主控系統，結合小球的位置信息調用PID運動算法進行舵機的運動軌跡規劃，實現相對應的操作功能。其整體流程圖如下所示：

3.1 小球顏色識別與輪廓提取

Open CV識別顏色主要是利用不同的顏色RGB/HSV直方圖不同作為判定依據的。用HSV空間進行比較準確度比RGB直方圖比對準確度更高。每種顏色均有不同的RGB直方圖，也可以用HSV直方圖來表示。RGB直方圖代表的是紅色，綠色，藍色分量。HSV分別代表顏色空間，飽和度，亮度。

小球的輪廓提取算法主要調用Open CV機器視覺庫自帶的圖像算法，其主要原理為將獲取到的圖像先進行二值化，然后通過邊緣檢測算子將輪廓檢測出來，為了去除最小噪點，加入高斯濾波去噪以及形態學開運算。

3.2 仿射變換算法

仿射變換是一種二維坐標之間的變換，變換前后保持圖形的平直性和平行性。仿射變換可以理解為是向量經過一次線性變換和一次平移變換。所以運用仿射變換算法可以把圖像進行旋轉、平移、縮放操作等功能。本文采用放射變換算法將攝像頭獲取到板的圖像旋轉平移等操作，從而保證了小球在板上的位置數據的準確性。

3.3 滾球運動控制PID算法

本文使用的PID算法進行滾球控制主要根據機器視覺系統檢測反饋來偏差信號，并通過偏差信號來控制舵機運動。PID算法包含比例、積分、微分，比例是對設定值和實測值兩者差值的放大倍數;增大比例值對于滾球控制系統可以減少小球從不平衡狀態到平衡狀態的時間，但是比例值超調就會引起板震蕩。微分是指上一次設定值和實測值兩者誤差和當前設定值和實測值兩者誤差的差值，根據這個值的變化的快慢實現滾球控制系統調節，微分調節對于滾球控制系統來說是超前預測，當它的值越大，預測控制的作用就會越明顯，在一定程度上緩解比例值超調帶來的震蕩作用。積分指是對設定值和實測值兩者差值的在時間上進行累加，當累加值達到一定值時進行處理，從而避免產生振蕩現象，但積分的調節存在滯后性，而且積分值超調越嚴重，滯后效果越明顯。

結合機器視覺系統的延時特性，在本次滾球控制系統的調節過程中采用了PD調節方式，控制順序是先進行位置環調節再對速度環調節。本文主要用到的公式如下所示：

輸入 e（t）與輸出 U（t）的關系為：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

傳遞函數為：

[D（s）=U（s）E（s）=Kp（1+1Ts+Tds）]? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

4 系統測試

本文研究的滾板球控制系統主要根據機器視覺的數據實現小球繪制直線運動、矩形運動、鼠標回調定點等功能，為了更好調試系統功能，使用了輕觸按鍵進行功能分類調試，得出以下表格數據。

4.1 定點的測試數據

4.2 直線功能的測試數據

在這個測試過程中，滾球控制系統的精度主要依賴機器視覺系統傳輸回來的數據準確性以及傳輸滯后性。從實驗結果可以看出，機器視覺系統在電機調控過程中重要定位，電機調控的可靠性主要由機器視覺系統決定。

5 結束語

本文利用滾球控制系統進行研究機器視覺與電機調控的關聯，系統通過PC端上的機器視覺系統將小球的位置數據傳輸到控制系統上實現模式調控。通過實驗操作對機器視覺與電機調控的關聯進行探討，為往后研究機器視覺與過程控制提供案例參考。

參考文獻：

[1] 趙冬.機器視覺技術及其在機械制造自動化中的應用[J].電子技術與軟件程，2019（8）：125.

[2] 黃金榮，張冰雪，張懸光，李瑞豐.基于機器視覺的顏色識別系統設計[J].山東工業技術，2019（12）：208.

[3] 王憲倫，姜鵬鵬.一種滾球法測橡膠粘度的視覺矯正算法研究[J].機電工程，2018，35（2）：166-169.

[4] 李世甲，萬超，李海龍，藺瑞英.基于PID控制器的滾球控制系統設計與制作[J].裝備制造技術，2017（11）：68-70.

【通聯編輯：梁書】