2017全国大学生电子设计大赛B题| 板球控制系统（三）机械设计相关 转载请注明出处。 转眼2019了诶，可能有些同学又该问了，哇向阳哥，你这个鸽子放的好，转眼大半年了一年都没更新，我也知道啊，说好的源码呢，挖的机械的坑呢？咕咕咕咕我也不想啊，我这不是懒吗！过年有空了，又到了收红包泡妹子玩游戏.......呸，学习准备比赛码代码的时候了，终于有点空闲，于是乎今晚先把机械的大坑填了。 咱话先说在最前面。机械这玩意，靠经验，也考想象力，更要命的还是出了问题立刻检查补救排除的能力。首先我在这里定义几个板球系统非常关键的机械专属名词，大家最好在这里记住，省的等会在下面文章里面提到，大家一脸雾水。 1、舵机传动连杆以及安装方向和连杆长度 2、中心支撑以及连杆边缘支撑点 3、轴承 4、舵机输出头（输出盘） 5、舵机多功能支架 6、万向节和碳纤维杆 7、1cm厚度雪弗板 8、5mm厚度和3、4mm厚度的亚克力塑料板，激光切割和3D打印，铝型材 以上内容不分先后（呸，要命顺序排列，越前面的越要命） 好了，关键名词说完了，咱们来说说机械的坑。众所周知，装置失控谁的锅？答案肯定是机械（滑稽），机械的坑大大小小五六个，有不要紧的也有送命坑，咱先说小坑。很多同
学当时做机械就是用热熔胶和木棍，电赛做多了都快成木工了。首先咱们说说这个激光切割和3D打印，大家实验室有能力的话购置一台60cm x 60cm 行程左右的激光切割机，或者15cmx15cm左右的3D打印机，这两样现代加工机器可以给你的比赛带来意想不到的快速加工能力，精确，快速且漂亮。如果没能力搞这个，最起码周边靠近的tb店或者实体店得先问一圈吧。 建材市场和就近的五金店是个好去处，比赛开始第一天上午我们就去建材市场寻找合适的板材，选材有如下几个：木板（不同厚度），塑料顶棚（中空口字型横向排列），雪弗板（1cm 厚度），硬塑料板（实心），综合考虑以上材料的刚性，变形程度，以及重量，我们最后选择了切割的50x50cm雪弗板，汽车用品店买了两箱子50罐子哑光黑色自喷漆。说到这里可能大家就又要问了，向阳哥，你这个板球系统，谁让你喷漆了？我在这里先说一句，电赛这种东西，先看上头的意思，在我观察看来，电赛管理方的老师都是德高望重，身居高位的老师，老师可能纵横科研江湖几十年，发过无数篇SCI,手下管理研究所几百号学生。但是，俗话说术业有专攻。老师不一定懂板球系统和视觉处理，甚至简单的机械原理。你说一个搞大功率MOS课题的老师，怎么会懂表面摩擦系数呢？？？？我问你？你懂吗？于是乎，全国各地，说的不客气一点，能不能喷漆取决于当地管理老师的脾气和智商。不过我们这边老师让喷了，大家最好比赛时候打求助电话问“上边的意思“，别来问我的意思，我的意思不管用，嘿嘿。喷漆不影响小球在板子上面的摩擦力，也不会黏住，显而易见的事情，仅仅是为了方便视觉处理。有些地方逼急了只能白板黑球，没得办法的办法。万向节一定要准备，tb一买一大堆，轴参数合适就行，我用的4mm转接4mm的万向节。碳纤维杆也是必备物品。木头杆子也行，我的杆子主轴和两个舵机输出机构都是中空碳纤维杆，4mm，长度根据需要自己锯断就好。5mm厚度的亚克力我们买了800块的，让店家手切成60x60cm 的大方块以便回去用激光继续切小块。折合成本大约5mm厚度600x 600mm大约50块，
滚球平衡控制系统方案的设计 发表时间：2018-04-12T10:43:06.000Z 来源：《电力设备》2017年第32期作者：卢智勇周凌云冀春喜王国良张鑫[导读] 摘要：该滚球控制系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，通过OV7670摄像头对小球的位置和速度进行采集，通过MPU6050六轴姿态传感器对平板的角度进行测量，采用42步进丝杆电机作为执行机构。 （中北大学朔州校区） 摘要：该滚球控制系统以STM32F103C8T6单片机为控制核心，通过OV7670摄像头对小球的位置和速度进行采集，通过MPU6050六轴姿态传感器对平板的角度进行测量，采用42步进丝杆电机作为执行机构。电机与平板通过弹性绳铰接，带动平板运动。系统整体由 12V/10A开关电源供电，通过线性稳压芯片获得+5V、+3.3V两路辅助电源输出。人机交互由液晶显示屏和按键组成，对系统关键参数和题目要求进行显示。两环PID联级后在X方向和Y方向耦合，很好得实现了各项，另外小球还可以跟踪触摸屏所触摸的对应位置。 关键词：STM32单片机；MPU6050；步进电机；非线性串级PID算法 1.系统方案 本系统主要由STM32主控单元、OV7670图像采集单元、人机交互单元、MPU6050姿态传感器、丝杆电机执行机构、辅助电源模块六个部分组成。下面分别论证这几个模块的方案选型。 1.1主控制器件的论证与选择 方案一：采用传统的51系列单片机。 51单片机年代久远，资源有限，运算速度慢，难以完成题目要求。 方案二：采用32位嵌入式芯片 STM32F103系列嵌入式芯片是Cortex-M3内核的32位ARM微控制器，外设丰富，应用广泛。STM32F103微控制器可较好的承担起各种运算，完成相应功能。 综合考虑采用方案二。 1 .2机械结构的论证与选择 方案一：采用直流电机加悬挂系统 板球系统可采用悬挂机械结构搭建。但其存在平板自旋、软绳只能提供拉力等缺点。 方案二：采用步进电机加底推系统 采用丝杆步进电机来作为驱动单元，底推系统将平板和电机连为一体，属于刚性连接，运动性能好，不易晃动。步进电机精度高，控制简单，适合于精确控制场合。 综合考虑采用方案二。 1.3系统传感器的论证与选择 1.3.1小球位置获取传感器的选取 方案一：采用电阻触摸屏 电阻触摸屏对于平板尺寸为650mm*650mm，实际中很难找到尺寸相当的触摸屏，多个屏幕拼接又会产生控制死区。 方案二：采用CMOS摄像头 摄像头是一种光学器件，通过采集平板和小球的运动图像，可实时获取小球的位置信息，虽然较电阻触摸屏使用复杂，软件开销大，但不受系统尺寸限制，使用方便。 综合考虑采用方案二。 1.3.2 平板角度获取传感器的选取 方案一：采用塑壳式电位器 塑壳式定位器可将角度量转换为模拟电压量输出，但安装两个定位器无法使平板灵活转动。 方案二：采用六轴姿态传感器 MPU6050内置加速度计与陀螺仪，通过一定的数学解算便可获得稳定的三轴角度，体积小，重量轻，使用方便。 综合考虑采用方案二。 2.系统理论分析与计算 本方案设计自动控制系统，系统能够控制平板的姿态使小球在平板上按照指定方式和指定轨迹运动。方案需要控制小球在不同位置的速度，使在指定位置保持速度为零。系统只能通过改变平板的倾角来改变小球重力加速度在平板方向的分量，所以需要控制小球加速度来控制速度，这样便可以间接的控制小球的位置。 在本设计的物理模型中，忽略了小球的尺寸、弹性、相对滑动摩擦力、空气对小球的阻力等次要因素，保留了小球的滚动速度、小球位置、平板倾角等关键物理量，大大简化了系统的物理模型，方便控制系统的设计。 为了简化小球在平面的滚动，将对小球的控制在直角坐标系中分解为X方向和Y方向，在两个方向上分别进行控制，简单的耦合后即可达到控制要求。 小球所受重力在平板方向的分量为： F=mgsinθ 2-1 由于平板的调整角度大约是±5°，角度与小球的重力分量可近似看做线性关系。当小球目标位置确定后，小球的目标速度正比于小球位置与目标位置的差值，而平板倾角正比于小球目标速度与实际速度的差值，公式如下：小球目标速度=PositionKp×（小球目标位置-小球实际位置）2-2 平板目标角度=SpeedKp×（小球目标速度-小球实际速度）2-3 式中的比例系数PositionKp和SpeedKp由实验测得，分别为0.1和0.5。 3.电路与程序设计
基于电阻屏的板球控制系统 王宪菊，陈韬，黄修道，胡锦静 （阜阳师范大学物理与电子工程学院，安徽阜阳236037） 摘要：板球系统作为经典控制对象球杆系统的二维扩展，其实质上是把对小球位置的控制从直线延伸到平面，控 制小球在平面内完成定位和轨迹跟踪。本系统采用位置式PID 控制算法实现对小球的精准定位和轨迹跟踪，自主完成 板球系统机械结构和控制电路的设计。通过上位机实时观测小球的响应曲线，对控制数据进行分析，反复调整PID 参 数，最终实现小球在平板上快速定位、稳定跟踪的目的。实验结果表明，该板球控制系统具有控制小球快速定位、精准轨 迹跟踪的性能，以及较强的抗扰动能力。 关键词：控制；板球系统；PID 算法；小球定位；轨迹跟踪 DOI ：10.13757/https://www.doczj.com/doc/ca15345099.html,34-1328/n.2019.03.012中图分类号：TP2文献标识码：A 文章编号：1007-4260（2019）03-0048-04 A Cricket Controlling System Based on Resistive Screen WANG Xianju,CHEN Tao,HUANG Xiudao,HU Jinjing (School of Physics and Electronic Engineering,Fuyang Normal University,Fuyang 236037,China ) Abstract:As a two-dimensional extension of the classic control object “cue system ”,cricket ball system essentially ex- tends the control of the position of the ball from straight line to plane,and controls the ball to complete positioning and track tracking in the plane.This system uses the position PID control algorithm to realize the accurate positioning and trajectory tracking of the ball,and independently completes the design of the mechanical structure and control circuit of the cricket sys- tem.Through the real-time observation of the response curve of the ball by the upper computer,the control data is analyzed, and the PID parameters are adjusted repeatedly.Finally,the goal of rapid positioning and stable tracking of the ball on the plate is achieved.The experimental results show that the cricket ball control system has the properties of fast positioning,accu- rate trajectory tracking and strong anti-disturbance ability. Key words:control;system of cricket;PID algorithm;small ball positioning;trajectory tracking 板球系统是一个非线性、多变量、复杂的控制系统[1-9]。简单定义即通过不断调整平板的角度来达到 控制小球在平板上的位置和轨迹跟踪目的的机械系统[2，4-5]。板球系统作为控制理论实验平台，主要用于 验证各种控制算法的优劣[6-10]，本文也是基于此首先完成板球控制系统的机械结构和控制电路设计，然后通过理论分析和数学建模得到系统的状态方程，进而对状态方程进行计算和处理得到系统的传递函数。根据分析结论可知，X 轴和Y 轴相互独立，因此，对X 和Y 轴分别设计了PID 控制器。 1板球系统的数学建模及定性分析 基于电阻屏的板球系统机械结构如图1所示，由电阻触摸屏、托盘、小球、舵机、支架、连杆和控制电路收稿日期：2018-12-15 基金项目：阜阳师范大学校级科研一般项目（2019FSKJ10），国家自然科学基金（41701254）和阜阳市政府-阜阳师范大学横向项目 （XDHX201729） 作者简介：王宪菊（1984—），女，河南开封人，硕士，阜阳师范大学物理与电子工程学院讲师，研究方向为智能控制。 E-mail ：943876886@https://www.doczj.com/doc/ca15345099.html, 2019年9月 第25卷第3期安庆师范大学学报(自然科学版)Journal of Anqing Normal University(Natural Science Edition)Sep.2019Vol.25No.3
滚球控制系统
摘要 该滚球系统由 Kinetis―K60单片机控制模块、位置采集模块、板球模块、人机交互模块、电源模块以及板球机械结构组成的闭环控制系统。它由OV7620摄像头进行滚球位置采集，单片机对摄像头输入信息进行处理，用位置式PID 算法进行运算，输出脉冲控制电机驱动为SH-20403驱动的42BYG250A电机转动，使滑轮缠绕吊线，改变底板所受吊线的拉力，进而控制地板倾斜让滚球到达指定位置，用人机交互模块中的按键控制与题目相应程序的运行。在该滚球系统中，滚球可在规定时间内在不经过非指定区域条件下到达指定区域，并可以在指定区域内停留规定时间，完成了大赛本科B组基本要求。 关键字：Kinetis―K60单片机；OV7620摄像头；42BYG250a电机；SH-20403驱动；位置式PID算法；闭环系统
一.系统方案 滚球控制系统主要包括单片机控制模块、电源模块、位置采集模块、板球模块、人机交互模块以及板球机械结构。系统通过位置采集模块时刻采集滚球位置信息，将信息输入给单片机控制模块，单片机对输入的信息进行处理，通控制脉冲发生器，通过一定方法让底板发生倾斜,控制滚球运动。人机交互模块中的按键选择程序运行。 图1 系统结构图 1.板球模块方案的选择与论证 方案一：将推杆电机作为支撑放于板下，通过推杆电机的推动使底板发生倾斜。 方案二：将两个42byg250a电机固定到顶板，在上面捆绑上吊线，经过顶板滑轮固定到底板，使底板悬空，通过电机的转动拉动吊线使底板发生倾斜。两方案比较之后我们选择方案二为滚球控制系统方案。两方案比较如表一所示 表1 板球模块方案比较
2017年全国大学生电子设计竞赛陕西赛区 设计报告封面 作品编号：（由组委会填写） … …………… ……………剪切线……………… …………… …………… ……… 作品编号：（由组委会填写） 说明 1.为保证本次竞赛评选的公平、公正，将对竞赛设计报告采用二次编码； 2.本页作为竞赛设计报告的封面和设计报告一同装订； 3.“作品编号”由组委会统一编制，参赛学校请勿填写； 4.“参赛队编号”由参赛学校编写，其中“学校编号”应按照巡视员提供的组 委会印制编号填写，“组（队）编号”由参赛学校根据本校参赛队数按顺序编排，“选题编号”由参赛队员根据所选试题编号填写，例如：“0105B”或“3367F”。 5.本页允许各参赛学校复印。
摘要 滚球控制系统通过摄像头获得滚球装置中小球和平板的图像，然后采用Nanopi M3进行相应的图像处理算法处理图像，通过坐标变换转换为小球在平板上的位置信息，将位置信息传送给STM32F103RC系统控制器，在平板的两个相互正交方向上分别进行PID控制算法，控制舵机驱动平板在这两个相互正交方向上相互配合地倾斜，从而间接控制小球直线、绕环等运动。采用按键选择和12864液晶显示屏，选择和显示工作模式和参数。系统制作完善，测试结果理想，很好的完成了各项任务要求。 关键词：PID控制算法；图像处理；STM32F103RC；12864液晶显示屏
1 方案设计与论证 1.1 总体方案描述 图1.1 是滚球系统的构成框图，主要由控制器、执行器、板和球、摄像机、图像处理模块构成。 图1-1 滚球系统构成框图 具体的工作过程为：通过摄像机采集小球的运动图像，在图像处理单元，利用Nanopi 2 Fire对图片进行处理，获取球相对于板的位置，将位置信息传送到控制器，在控制器内计算控制量，通过控制执行机构来控制平板运动，进而控制小球的运动。 1.2主控制器的选择方案 方案1：采用可编程逻辑器件CPLD，具有并行输入输出方式。它在系统处理的速度上较快，但是规模大、结构复杂，而系统不需要复杂的逻辑功能，对数据处理速度的要求也不是非常高。 方案2：采用FPGA作为系统的控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。但是因其价格较高使系统成本增加，高速处理优势得不到体现。 方案3：采用STM32F103RC单片机。STM32F103RC单片机，具有功能强大、效率高的指令系统，以及高性能模拟技术及丰富的外围模块。方便高效的开发环境使操作更加简便，低功耗是其它类单片机难以比拟的，集成度较高，编程相对简单。STM32 定时功能强大，主要应用的是定时器的PWM 模式，PWM 模式只能在定时器的 4 个通道产生频率相同但是占空比不同的输出信号，由于要控制4 个电机的运行（在板球控制系统中只使用其中的两个电机），因此要用到定时器的PWM模式。 在滚球系统中，还要对采集到的位置信息需要进行两个方向的PID运算，为满足高速的运算要求，系统选择了性能更好的STM32F103RC单片机。
题目平板球实验系统-硬件设计学院 专业 姓名 班级 学号 指导教师孙伟华
一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 1.国内外的发展现状 针对板球控制系统的研究，目前国内研究的状况如下：清华大学模糊控制教研组于2000 年前后开始对板球控制系统进行研究，提出了 T-S 多变量模糊控制方案，并在仿真环境下进行了轨迹规划和跟踪实验。之后开发了基于视觉的板球控制系统仿真平台，设计模糊控制器，实现了对板球实验平台的稳定控制。大连理工大学的李洪兴教授及其研究生设计了变论域模糊控制器，在 simulink 环境下进行仿真，相对位置式 PID 和增量式 PID 有较好控制效果，最后在自己研发的仿真平台上实现了小球对正方形和圆形的轨迹跟踪，取得了较好的控制效果。吉林大学的田彦涛教授及其研究生设计了基于扩展卡尔曼滤波的状态观测器，对板球控制系统中摩擦力状态进行了在线实时估计，并对估计后的摩擦力进行分析，得到与摩擦力相关的因素，推导出摩擦力的数学模型，最后设计了摩擦力补偿器对摩擦力进行补偿，并在基于视觉的板球控制系统中进行验证，2009 年前后，设计了板球系统的参数自调整反步控制，考虑控制量受饱和特性限制而引入的约束条件，利用遗传算法优化模糊规则，降低了镇定控制中的位置超调和偏差。中南大学张修如教授及其研究生对板球控制系统的视觉系统进行了研究，获取了小球的实际位置。另外上海交通大学开发了台面球系统利用气缸伺服控制机构进行控制，以及台湾的成功大学 C.C.Ker 采用接触式的控制面板构建了板球实验平台，并对实验装置进行了控制。经过这些年的发展国内很多大学都建立了自己的板球控制系统的实物仿真平台，不再只是基于 simulink 仿真的研究，并在板球系统上验证控制算法。 在国外伊朗德黑兰大学的 Carolucas 等人在 CE151 板球实验平台上，设计基于遗传内插算法的模糊控制器，实现了小球的定位控制。1992 年，美国著名的控制理论专家Hauser.J 应用线性化理论，对板球控制系统的输入输出变量进行局部线性化得到了其简化的线性模型，在板球控制系统上获得了较好的控制效果。通过触摸屏检测小球的位置，建立系统简化的线性系统模型，设计状态反馈控制器对系统进行控制，小球的定位控制精度为 5mm，跟踪圆轨迹径向平均误差18mm，运行速度小于 4.2mm/s。汉阳大学的学者提出了变结构自适应控制器，控制的核心是采用分层模糊 CMAC 神经网络控制，成功的实现了球的定位控制。FANX 在板球系统的仿真平台上，在环境不变的情况下，研究球的轨迹规划及跟踪问题。 2.意义 板球系统的实质是指对于平板在X轴与,轴方向上的倾斜角度进行不断地调整，以控制小球在板上平稳运动。因此，我们说板球系统的被控对象是平板,通
第一课板球运动简介 教学任务和内容： 1. 板球选课要求及教学安排 2. 板球运动简介 3. 观看板球运动录像和多媒体教学课件 教学步骤： 一、板球基本知识介绍 1. 板球的起源和发展 什么是板球？ 板球是一项体育运动，在世界很多国家受到欢迎。 在世界各地，成千上万的人被板球运动所吸引，不管 男女老少，热爱打板球及热衷于观看板球比赛。 板球是以击球(batting)、投 球(bowling)和接球(fielding)为 主的运动。板球比赛是由两队对 垒，通常每队十一人，一队作攻击，另一队作防守。攻方 球员为击球员(batsman)，比赛时每次只可派两人上场， 致力夺取高分数；一人负责击球得分，另一人配合夺分。 守方则十一位球员同时上场比赛，一人为投球手(bowler) 负责把球投中击球员身后的三柱门(wicket)，力 图将他淘汰出局(out)，其他球员为外野手 (fielder)负责把击球员打出的球接住，防止攻方 得分(run)。攻方的击球局(innings)结束后，两 队便会攻守对调，得分较高的一方为胜方。 板球设两种比赛方式，一种是实验比赛（test match），这种比赛通常打五天，对阵双方 均穿白色板球服。另一种是一日赛（one day match），队员穿国家队队服或自己队的彩色队 服。 板球也被称为“绅士的游戏”(gentlemans game) ，是一项崇尚体育精神 (sportsmanship)的运动。板球运动起源于英国，起初只是一些牧羊人和农夫所玩的游戏。 板球运动的发源地相传是英国的东南部。文献记载早于十三世纪，在英国的肯特郡(kent)， 英王爱德华一世(king edward i, 1239-1307)曾参与过类似板球运动的活动。板球运动的英 文名称cricket，可能是从当时牧羊人所用的手杖cric演变出来的。到十七世纪，板球在英 国已经相当流行。随着英国殖民地的不断扩张，板球运动也逐渐发展到英联邦国家，现在全 世界推广普及。 2005年9月，由亚洲板球理事会推动，在北京举办了第一期中国板球教练员和裁判员培 训班，学员30人，正式开始了现代板球运动在中国的普及和推广。2006年4月和9月又分 别举办了第二期和第三期中国板球教练员和裁判员培训班，已有近百名教练员和裁判员取得 了资格证书，并在全国70所学校中开展了板球运动。 板球自从500多年以前在英国出现后，起初只是在英联邦国家内打，以后逐渐发展到近 一百个国家，遍及世界五大洲。现在板球运动已经开始在中国发展进步，这是世界板球运动 史上的一大新的发展。我们相信，在国际板球理事会及亚洲板球理事会的大力支持下，板球 将会落户中国，为广大中国百姓所了解并喜爱。 2. 器材和场地