规划摘要
台球源于英国，它是一项在国际上广泛盛行的典雅室内体育运动。跟着各种运动的鼓起开展，台球以其内在典雅、放松身心的特色越来越受咱们欢迎。依托单片机技能的日益老练，依据单片机的小型化高精度操控进程的广泛运用，色度学、先进光电成像技能、核算机技能和图画处理技能的飞速开展和电机驱动技能、传感器技能以及操控技能的不断开展，咱们计划规划能够与人对打的台球智能机器人，使人们能够在即便一个人的状况之下也能够享用台球带来的文娱、休闲。
咱们这次规划的智能台球机器是以PIC单片机为中心的操控体系，结合了图画处理技能，PIC单片机操控电机体系，以及机械组织规划技能等方面的常识，运用了各种芯片来完结对台球体系的图画收集处理技能，一起，运用各种电机来操控机器人的运动和球杆的挥洒视点和力度体系。在体系结构上本规划的体系能够分为两个方面：图画处理体系、智能运动体系。智能运动体系又包含两个内容：运载体系和球杆体系。图画处理体系收集桌面台球的各种信息;智能运动体系经过各种电机完结机器人的运动和挥球运动。
体系整体组织
该智能台球机器人由3部分构成：图画收集处理体系、智能运载体系和智能球杆体系。
(一)、体系整体布局与原理框图
经过microchip公司出产的32位PIC单片机对CMOS收集过来的图画信息剖析处理，然后向各个电机驱动电路发送相应的指令信息，操控电机的转向和转速，履行小车的运动，球杆瞄准，以及操控球杆击球的力度各项操作，完结一个智能台球机器人的主动捕捉和击球全进程。其原理框图如下所示：
(二)、体系的技能特色
该智能台球机器人结合了图画处理体系，PIC单片机操控电机体系，以及机械组织体系等方面的常识，是一个跨学科，多范畴常识穿插的产品规划。智能台球机器人首要是由图画处理体系、电机驱动和测速体系，以及机械组织体系来和谐完结智能击球进程的。
图画收集上比照CCD摄像头的特色CMOS摄像头不需求用视频收集卡就能输出数字信号，内带A/D转化，体系体积较小。
图画处理上运用CPLD和DSP和谐的模块，大大削减需求传输的数据，加快了体系的传输速度，进步了上位机的作业效率。
运载体系首要运用伺服电机驱动，伺服电动机机械特性和调理特性均为线性, 动态呼应快, 操控精度高, 可靠性高, 是主动操控体系中一种很好的履行元件。
球杆体系首要经过步进电机W1操控球杆的转角来对击球视点的瞄准，步进电机是数字操控电机，电机的转速、中止的方位取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载改动的影响，非超载状况下，依据上述线性关系，再加上步进电机只要周期性差错而无累积差错，因而步进电机适用于单片机操控。伺服电机W2操控球杆击球的速度，运用伺服电机高精度、高可靠性的性能以完结精确击球入袋的使命。
(三)、体系硬件组成及作业原理
1、 图画处理体系
1.1 图画处理体系的原理框图
依据智能摄像机的作业原理，结合曾经的数字图画处理研讨的效果，本图画收集体系规划包含图画收集、图画存储、数据处理三个部分。比照CCD与CMOS图画传感器的优缺点，决议选用CMOS数字图画传感器来构建体系的数字化收集单元。
体系原理如图1-1所示，经过摄像头获取桌面球的方位与色彩信息，经过CPLD收集操控器和FIFO帧处理器来进行图画存储，并将数字信号传输到DSP数字信号处理器进行处理，收集球的方位信息和间隔信息。将其传输给单片机进行操控，来完结电机的运动。
1.2 图画处理体系的首要部件
1.2.1 CMOS图画传感器
咱们选用的CMOS数字摄像头是OV6620。
OV6620选用PAL制式(国内的一般电视机制式)，每秒25帧，分辨率为356*292，内部集成了AD转化模块和视频别离模块，省去了1881视频别离芯片。当然，也能够当模仿摄像头来运用，比方调焦时，这时能够将视频信号端接至OV6620的VTO端即可。
OV6620的长处：供电电压低，简化电路;内部集成AD和视频别离模块，简化电路，并且使得收集程序简略，收集质量高;视频信号转化在内部进行，减轻CPLD操控器担负。
OV6620共有32个引脚，但咱们真实能用到的不多。我在做智能车时只是用到13个引脚，其他引脚并未运用。现在把常用的引脚列出来： Y0~Y7(数据输出端，接单片机IO口)、VSYNC(场中止信号端)、HREF(行中止信号端)、VCC(接5V)、GND(接地)、VTO(接视频收集卡调焦)，其他或许会运用到的引脚：PCLK(像素同步信号端)、FODD(奇偶场信号端)。
1.2.2 帧存储器
美国Averlogic公司的大容量FIFO AL422B作为收集-处理的同享数据RAM。AL422B的存储容量为3MB。因为现在1帧图画信息晓畅包含640*480个像素，每个像素占用1~3B，而市面上许多视频存储器因为容量约束，无法存储1帧图画的完好信息，其作业频率达50MHz。AL422B运用的关键如下：
1、384k*8b FIFO，支撑VGA/CCIR/NTSC/PAL和HDTV分片率
2、独立的读/写操作可承受不同的I/O数据率
3、高速异步串行存取，读写时钟周期为20ns
4、输出使能操控，自行改写数据
5、作业电压可为5V或3.3V
1.2.3 CPLD视频收集器
这一部分的中心操控是由可编程门阵列FPGA开展为图画收集处理的高速化、小型化、智能化拓荒了新的空间。中心操控CPLD选用Altera公司的EMP7128SL85-15,首要用它来完结FIFO写操控，告诉DSP读数据信号的发生等功用。EPM7128SL85-15具有2500个可用逻辑门，128个宏单元，8个逻辑块，读写速度为15ns，带有67个可供用户运用的I/O引脚，PLCC封装，可经过JTAG接口完结在线片成。经过硬件描绘言语(VHDL)在集成开发环境MAX PLUS Ⅱ下完结逻辑规划，进步了体系的可靠性，又降低了本钱。CPLD的中心使命是是完结AL422B芯片的需求。
1.2.4 DSP数字信号处理器
选用TI公司的TMS320VC5402 DSP读取AL422B中的视频数据，并经过软件对其进行实时处理，处理后数据量将大大削减。TMS320VC5402 DSP首要特色如下：
先进的改造型哈佛结构，操作速率可达100MI/S。先进的多总线结构，3条16b数据存储总线和1条程序存储总线;40b算术逻辑单元，包含1个40b桶形移位器和2个40b累加器;一个17*17乘法器和1个40b专用加法器，答应16b带符号的赏罚;8个辅佐寄存器及1个软件栈，数据/程序寻址空间1Mb*16b，内置4k*16bROM和16k*16bRAM;内置可编程等候状况发生器，锁相环时钟发生器，2个多通道缓冲串行口，1个8b并行于外部处理器通讯的HPI口，2个16b定时器以及6个通道DMA操控器;低功耗，作业电源有3V和1.8V。
2、 智能运动体系
2.1 运载体系
2.1.1 运载体系的原理框图
经过前面的图画处理体系核算出的击球点的方位，核算出小车的行进路线输出给小车的驱动体系，使小车行进到指定地址。
2.1.2 运载完结体系的首要部件
1、 机器人小车驱动体系机器人小车驱动体系由操控器、功率变换器及电动机三个首要部分组成。
( 1) 电机数量的挑选为了让小车能灵敏转弯选用三轮小车, 前轮是拖动轮, 两个后轮别离用两台电机驱动。当别离改动两台电机方向时, 能够使小车行进、撤退和转弯。
( 2) 电机品种的挑选电动小车选用伺服电动机驱动体系。伺服电动机机械特性和调理特性均为线性, 动态呼应快, 操控精度高, 可靠性高, 是主动操控体系中一种很好的履行元件。加上适宜的驱动体系, 完全能够完结机器人的各种功用。
2、 车速及旅程核算模块的挑选
选用开关型霍尔集成片, 在车轮上均匀地固定多个磁铁, 车轮滚动时发生脉冲, 经过脉冲的计数,对速度进行丈量。用转速乘以车轮的周长, 便是小车行进的旅程。因为霍尔传感器体积小, 灵敏度高,传送进程中无颤动现象且检测装置简略, 广泛运用于电机测速体系。
3、 电源挑选计划
依据小车需求不停地运动, 选用单一电源供电计划, 电办法比较简略,但因为电动机起动瞬间电流很大, 并且PWM 驱动的电动机电流动摇较大, 会形成电源电压不稳, 影响其他电路的正常作业。此计划将电机驱动运用光电耦合器进行衔接。这样能够处理因为PWM 驱动的电动机电流动摇对体系稳定性的影响, 然后进步了体系的可靠性。2.2 球杆体系
2.2.1 球杆体系的原理框图
依据图画处理剖析所得的桌面各球散布状况，和单片机编程言语中所设定挑选各球的次序，确认了方针球的方位。小车运转至球杆能够击到白球的间隔规模内，此小车移动进程中，球杆收至与球桌边际平行的方向，电机W1和W2均中止滚动。
抵达击球规模内时，小车中止运转，依据图画处理成果，以小车地点边际为基线，剖析球杆所应该旋转的视点，把该信息赋予PIC32单片机，然后，经过单机片发送脉冲信号到步进电机驱动器M1，操控步进电机W1完结相应视点的旋转。旋转进程中，为了进步步进电机运转到位的，从开端到挨近所需视点的进程中，能够用接连高频脉冲缩短时刻，然后在挨近预订值的时分，则选用接连低频脉冲操控电机点动到位，中止其运转。
接着，依据图画处理成果，剖析其桌球运动的途径长度，在单片机中预设相应的长度规模，将其所需力度分为从高到低分为五档;接着，经过单片机接纳力度档位信息，发送相应的脉冲到伺服电机驱动器M2，使伺服电机W2别离以不同的速度接连滚动一周，完毕之后中止其运转。
因为电机W2的滚动，带动曲柄滑块组织的球杆做急回运动，快速击球，然后较缓慢地回来原方位。
击球完毕，白球取得预订方向的速度接着进行击打彩球入袋，然后各球依照后续运动轨道运转至动能为零中止。
等候桌面各球中止，从头扫描桌面状况，进行新一轮的图画处理剖析，挑选下一个击球方针，球杆旋转收回到与球桌边际平行，小车运转至下一个方针的击球间隔规模。
2.2.1 球杆体系的首要部件
步进电机W1
W1用于旋转调整球杆部分的视点。
步进电机是数字操控电机，将脉冲信号转化成角位移，电机的转速、中止的方位取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载改动的影响，非超载状况下，依据上述线性关系，再加上步进电机只要周期性差错而无累积差错，因而步进电机适用于单片机操控。步进电机经过输入脉冲信号进行操控，即电机的总滚动视点由输入脉冲总数决议，而电机的转速由脉冲的信号频率决议。
直流伺服电机W2
W2用于操控球杆击球的速度。
伺服电动机机械特性和调理特性均为线性, 动态呼应快, 操控精度高, 可靠性高, 是主动操控体系中一种很好的履行元件。加上适宜的驱动体系, 完全能够依照精确的转速和转向完结各种功用。
步进电机驱动器L297芯片
步进电机的驱动是依据单片机发生的操控信号进行作业。因而，经过向步进电机驱动电路发送信号就能完结对步进电机的操控。
L297芯片是具有20管脚的双列直插式塑胶封装的步进电机驱动器。它最多可发生四相驱动信号，能用半步(八拍)和全步(四拍)等办法驱动单片机操控双相南北极或四相单极步进电机。其间心是脉冲分配器，L297还设有两个PWM斩波器来操控绕线组电流。是想爱你恒流斩波操控。适用于双极性两相步进电机或单极性四相步进电机的操控。L297只需从上位机承受方向(正、回转)，形式(半步、根本步距)，时钟(步进脉冲)3个输入信号。其作业初始状况是ABCD=0101
L297驱动器M1的输出操控步进电机W1。
伺服电机驱动器BA6688L和BAL6686芯片
由单片机发生的PWM信号经接纳通道进入信号解调电路BA6688L的12脚进行解调, 取得一个直流偏置电压, 该直流偏置电压与电位器的电压比较, 由BA6688L 的3脚输出,送入电机驱动集成电路BAL6686, BAL6686 的输出信号驱动伺服电动机W2。改动PWM 信号的占空比,能够操控电动机的转向和转速。
规范球杆
球杆击球端设置为圆球状润滑外表结构;中心部分套在固定的小车基座上;在小车基座的两固定端规划为一个曲柄滑块组织，操控球杆击打白球。
3、单片机的挑选
单片机选用microship公司的Cerebot 32MX4系列单片机。该Cerebot 32MX4的首要特色是具有一个全新Microchip® PIC32™微操控器。PIC32可供给作业频率80MHz的32位MIPS处理器内核、512KB的编程FLASH、32KB的RAM内存以及很多的外围设备。这些设备包含USB操控器、定时器/计数器、串口操控器、A/D转化器以及更多的设备。该板具有很多的I/O接口和电源选项，其间也包含USB电源。它一起还具有与Microchip MPLAB开发软件相兼容的内置编程、调试电路。 Cerebot 32MX4具有九个Digilent Pmod™外围模块衔接器。可衔接的Digilent Pmod包含H-bridge驱动、模数和数模转化器、蜂鸣器、滑动开关、按键开关、LED指示灯、以及易于衔接的转化器。
首要 用来完结对dsp数字信号处理器的部分数据进行处理，与单片机取得的其他体系信息进行归纳剖析，输出体系所需的操控信号，对其他部分的运动进行剖析和操控。
三、软件流程
(一)体系软件流程
在每次作业之前都要对单片机进行初始化设置，然后再由单片机操控体系的运作，总流程如右图所示：
先发动图画处理体系，对收集到的信息进行剖析和处理。得到击打台球的方位。依据图画处理体系的成果，经过单片机发动伺服电机，使小车运转到指定方位，然后操控步进电机调理球杆的视点，经过机械办法冲击出球。
(二)、图画处理体系的软件流程
在CMOS摄像机开端输出信号之前，需求对OV6620的寄存器进行装备，使其输出体系所需求的图画格式。
在每次体系设定作业都要对CMOS寄存器进行设置，咱们经过单片机对其进行初始化设置，首要是设置表中的寄存器。体系流程图如图2。体系履行上电加载DSP程序，初始化程序后，单片机初始化OV6620和AL422B芯片。然后DSP即发送开端收集指令给CPLD，完结总线操控权交代，CPLD取得总线操控权。经过CMOS收集一帧图画解码后存到FIFO存储器中，当一帧数据写入帧缓存后，CPLD封闭CMOS输出，抛弃总线操控权，并发送信号给DSP，进入图画处理程序。DSP经过缓存器和CLPD取得图画数据，一起处理后数据传输到PIC进行电机操控部分。
咱们采纳的是一种依据DSP和CLPD结构的图画收集和处理体系规划办法。CPLD实质上起到总线操控器的效果，DSP制造图形算法运用，图画收集独当一面进行，不参加收集进程，节省了DSP的时刻，实时性好，完结了模块化规划的思维。体系软件对图画进行灰度、边际提取、反色的算法。
(三)、智能化体系的软件流程
1.、小车体系软件流程
1、1 伺服电机驱动电路
下图为伺服电动机驱动电路, 本体系有两组驱动电路, 别离担任两个后轮电动机的驱动, 操控电机的转向及转速(转角)。首要由单片机发生的PWM信号经接纳通道进入信号解调电路BA 6688L的12脚进行解调, 取得一个直流偏置电压, 该直流偏置电压与电位器的电压比较, 由BA6688L 的3脚输出,送入电机驱动集成电路BAL6686, BAL6686 的输出信号驱动伺服电动机。改动PWM 信号的占空比,能够操控电机的转向和转速。
1、2 测速检测电路的规划与完结
霍尔集成传感器是将霍尔元件、扩大器、施密特触发器以及输出电路集成在一块芯片上, 为用户供给一种简略化的和比较完善的磁敏传感器。霍尔传感器测速的原理: 传感器的方位固定在接近小车车轮的恰当方位, 小车的轮上装几个磁铁, 每逢磁铁转过霍尔传感器时, 引起磁场的改动。霍尔集成传感器分为线性型和开关型两大类, 本体系中选用的是开关型霍尔集成传感器SS44E。SS44E 传感器的信号扩大器将霍尔元件发生的幅值随磁场强度改动的霍尔电压扩大后再经信号变换器, 驱动器进行整形,扩大后输出起伏持平, 频率改动的方波信号脉冲, 核算脉冲的个数, 即可确认旋转物体的速度。如咱们在小车的轴上装置了4块磁铁, 则车轮旋转一周霍尔传感器计数4个脉冲。用1m in计量的脉冲数除以4便是小车的转速。
2、球杆体系软件流程
在步进电机操控电路开端作业之前，需求对驱动器L297的首要参数进行初始化，然后对它进行即将运算操控的装备。
当导路小车抵达击球间隔规模内中止的时，单片机中止，并跳转到步进电机W1驱动电路，首要，单片机对步进电机驱动器M1进行初始化，然后驱动步进电机驱动器对步进电机W1进行初始化，单片机把相应频率的脉冲信号传送至驱动器M1，经过驱动器的缓存装备，操控电机W1依照要求的N个脉冲进行逆时针或许顺时针步进运转，直到旋转相应的α角后，电机W1驱动电路中止;单片机中止，跳出到伺服电机驱动电路W2，对伺服电机驱动器M2进行初始化，然后驱动伺服电机驱动器对伺服电机W2进行初始化，单片机把相应频率的接连脉冲信号传送至驱动器M2，经过驱动器的缓存装备，操控电机W2作顺时针接连旋转，直到旋转满一周后，电机W2驱动电路中止，电机W2旋转进程中带动机械曲柄滑块组织做急回运动，快速击打白球，使得白球运动击打彩球入袋。击球完毕，再次驱动电机W1逆向旋转α角，至原初始与球桌边际平行的方位。则一次单片机操控击打拟定方针球进程完毕。
该球杆体系中，经过对图画处理后的方针成果进行定位，然后选用了高精度的单片机操控步进电机电子电路，伺服电机带动球杆机械运动和组织传动进行击球，完结了一个较为智能化的智能桌球机器人。
