基于PIC单片机及图像处理技术设计的智能台球机器人

设计摘要

台球源于英国，它是一项在国际上广泛流行的高雅室内体育运动。随着各种运动的兴起发展，台球以其内涵高雅、放松身心的特点越来越受大家欢迎。依靠单片机技术的日益成熟，基于单片机的小型化高精度控制过程的广泛应用，色度学、先进光电成像技术、计算机技术和图像处理技术的飞速发展和电机驱动技术、传感器技术以及控制技术的不断发展，我们计划设计可以与人对打的台球智能机器人，使人们可以在即使一个人的情况之下也可以享受台球带来的娱乐、休闲。

我们这次设计的智能台球机器是以PIC单片机为核心的控制系统，结合了图像处理技术，PIC单片机控制电机系统，以及机械机构设计技术等方面的知识，利用了各种芯片来实现对台球系统的图像采集处理技术，同时，使用各种电机来控制机器人的运动和球杆的挥洒角度和力度系统。在系统结构上本设计的系统可以分为两个方面：图像处理系统、智能运动系统。智能运动系统又包含两个内容：运载系统和球杆系统。图像处理系统采集桌面台球的各种信息；智能运动系统通过各种电机实现机器人的运动和挥球运动。

系统总体机构

该智能台球机器人由3部分构成：图像采集处理系统、智能运载系统和智能球杆系统。

（一）、系统总体布局与原理框图

通过microchip公司生产的32位PIC单片机对CMOS采集过来的图像信息分析处理，然后向各个电机驱动电路发送相应的指令信息，控制电机的转向和转速，执行小车的运动，球杆瞄准，以及控制球杆击球的力度各项操作，完成一个智能台球机器人的自动捕捉和击球全过程。其原理框图如下所示：

（二）、系统的技术特点

该智能台球机器人结合了图像处理系统，PIC单片机控制电机系统，以及机械机构系统等方面的知识，是一个跨学科，多领域知识交叉的产品设计。智能台球机器人主要是由图像处理系统、电机驱动和测速系统，以及机械机构系统来协调完成智能击球过程的。

图像采集上对比CCD摄像头的特点CMOS摄像头不需要用视频采集卡就能输出数字信号，内带A/D转换，系统体积较小。

图像处理上利用CPLD和DSP协调的模块，大大减少需要传输的数据，加快了系统的传输速度，提高了上位机的工作效率。

运载系统主要利用伺服电机驱动，伺服电动机机械特性和调节特性均为线性, 动态响应快, 控制精度高, 可靠性高, 是自动控制系统中一种很好的执行元件。

球杆系统主要通过步进电机W1控制球杆的转角来对击球角度的瞄准，步进电机是数字控制电机，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，非超载状态下，根据上述线性关系，再加上步进电机只有周期性误差而无累积误差，因此步进电机适用于单片机控制。伺服电机W2控制球杆击球的速度，利用伺服电机高精度、高可靠性的性能以实现准确击球入袋的任务。

（三）、系统硬件组成及工作原理

1、 图像处理系统

1.1 图像处理系统的原理框图

根据智能摄像机的工作原理，结合以前的数字图像处理研究的成果，本图像采集系统设计包括图像采集、图像存储、数据处理三个部分。对比CCD与CMOS图像传感器的优缺点，决定采用CMOS数字图像传感器来构建系统的数字化采集单元。

系统原理如图1-1所示，通过摄像头获取桌面球的位置与颜色信息，通过CPLD采集控制器和FIFO帧处理器来进行图像存储，并将数字信号传输到DSP数字信号处理器进行处理，采集球的位置信息和距离信息。将其传输给单片机进行控制，来实现电机的运动。

图1-1 图像处理系统框图

1.2 图像处理系统的主要部件

1.2.1 CMOS图像传感器

我们采用的CMOS数字摄像头是OV6620。

OV6620采用PAL制式（国内的普通电视机制式），每秒25帧，分辨率为356*292，内部集成了AD转换模块和视频分离模块，省去了1881视频分离芯片。当然，也可以当模拟摄像头来使用，比如调焦时，这时可以将视频信号端接至OV6620的VTO端即可。

OV6620的优点：供电电压低，简化电路；内部集成AD和视频分离模块，简化电路，并且使得采集程序简单，采集质量高；视频信号转换在内部进行，减轻CPLD控制器负担。

OV6620共有32个引脚，但我们真正能用到的不多。我在做智能车时仅仅用到13个引脚，其他引脚并未使用。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（场中断信号端）、HREF（行中断信号端）、VCC（接5V）、GND（接地）、VTO（接视频采集卡调焦），其他可能会使用到的引脚：PCLK（像素同步信号端）、FODD（奇偶场信号端）。

图1-2 OV6620结构图

1.2.2 帧存储