[发明专利]一种基于图像处理的共平面板球实验系统及其工作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于图像处理的共平面板球实验系统及其工作方法，属于机电控制的技术领域。

背景技术

板球系统就是在研究控制算法的基础上，通过控制平板的摆动角度和小球速度实现小球在平板上的固定点的定点、自动轨迹及自主避障功能，此系统可用于研究无约束运动的小球在平板上的路径规划和轨迹跟踪，充分实现和验证控制算法的有效性。板球系统对于研究各种智能算法和验证各种控制算法的有效性具有非常重要的意义。

板球系统是一种复杂的非线性、多变量、强耦合的动态机械系统，具有不确定性，它涵盖了大多数工业模型的特性，对于板球系统的控制算法研究，其研究成果同样也可应用于其他工业模型当中。

板球系统本身是一个实验平台，其自身的非线性和多变量特点尤其适应于各种新型控制方法的开发和实验验证，针对板球系统控制取得的一系列成果(对球的位置的检测、预测、跟踪以及定位等)可以被应用到工业、农业、航天等领域，实现了将控制算法从仿真到实际应用的转变。板球系统其独特的实验平台设计结构，在平台上可以实现小球的自主避障、路径规划和轨迹跟踪等扩展设计目的，充分实现和验证控制算法的有效性。

板球系统作为自动化领域的一个非常重要的基础研究项目，不仅有助于学生更好地理解控制理论知识，同时也是学习与研究自动控制、图像处理等专业课程的一个平台，为后续图像处理等专业科研工作奠定了坚实的根基。

1993年，TQ公司最先搭建了板球系统从事该方面的研究，该系统的执行机构为步进电机，通过电机拉动钢索进行传动来控制板面的角度，以CCD摄像头为传感器获取小球位置坐标。清华大学于2001年搭建的板球系统以CCD摄像头为传感器经图像采集卡处理获取小球位置，由步进电机作为执行器通过半球铰和支杆带动木板转动，用单片机控制步进电机运动。伦塞勒工学院2002年设计的板球系统首次采用玻璃材质的触摸屏作为传感器采集小球的位置，其执行器是两个无刷直流电机，传动装置为四连杆结构，推动板面转动。2003年，汉阳大学对板球系统的设计有了进一步的尝试，其执行机构是一个6自由度的机械手，通过对机械手的控制来控制平板的倾斜角度，进而控制小球的运动。马里兰大学2004年完成了板球系统的研制，该系统的执行器为智能电机，通过链条传动控制板面的旋转。吉林大学于2005年搭建的基于视觉的板球系统，通过运动控制卡控制步进电机运动。2006年，Karlsruhe FraunhoferInstitute以多传感器的机器人为平台上进行板球系统实验。该系统的位置传感器为立体摄像机，以此采集小球的位置坐标，系统的执行机构为人形双臂，平板倾斜角度由双臂的运动产生。2008年，谢里夫理工大学实现了新型板球系统；该系统为减少步进电机的失步现象，通过编码器和数据采集卡进行测量，此外执行器位于底座减少了设备的惯性，且刚度高。2010年，上海交通大学设计的板球系统以低廉可靠的摆动气缸位置伺服机构为系统的执行机构，触摸屏为小球位置测量元件。2012年，Rawalpindi国家科技大学每边采用11个低成本的晶体管作为传感器测量小球的位置信息，将板面区域分为121个点。其执行机构用了2个直流伺服电机和1:100的齿轮箱，来降低电机的速度增大其输出力矩。

综上所述现有技术中的板球系统存在的不足还包括：1、板球系统机械结构复杂，而复杂的机械结构会引入过多的误差源，影响控制精度。2、现有技术中的板球系统大多采用步进电机驱动，采用步进电机驱动的缺点是，容易产生共振，难以运转到较高的转速进而获得较大的转矩；在体积重量方面没有优势，且能源利用率低；步进电机超过负载时会破坏同步，高速工作时容易发出振动和噪声。3、现有板球系统多采用一个或多个电机驱动，需要考虑多自由度的控制问题，控制方法复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于图像处理的共平面板球实验系统。

本发明还提供一种上述共平面板球实验系统的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种基于图像处理的共平面板球实验系统，包括平台支架、舵机架、平台和ARDUINO控制模块；

所述舵机架通过第一舵机和第二舵机转动设置在平台支架上，所述平台通过第三舵机和第四舵机转动设置在所述舵机架上；所述舵机架的转动方向与所述平台的转动方向相垂直；所述平台上方设置有图像采集处理模块；所述平台的上表面设置有小球；第一舵机、第二舵机、第二舵机、第三舵机、第四舵机和图像采集处理模块分别与ARDUINO控制模块连接。第一舵机和第二舵机控制所述平台的X轴方向运动，第三舵机和第四舵机控制所述平台Y轴方向运动。