基于PIC单片机及图像处理技术设计的智能台球机器人

器

美国Averlogic公司的大容量FIFO AL422B作为采集-处理的共享数据RAM。AL422B的存储容量为3MB。由于目前1帧图像信息通畅包含640*480个像素，每个像素占用1~3B，而市面上很多视频存储器由于容量限制，无法存储1帧图像的完整信息，其工作频率达50MHz。AL422B应用的要点如下：
1、384k*8b FIFO，支持VGA/CCIR/NTSC/PAL和HDTV分片率
2、独立的读/写操作可接受不同的I/O数据率
3、高速异步串行存取，读写时钟周期为20ns
4、输出使能控制，自行刷新数据
5、工作电压可为5V或3.3V

图1-3 FIFO AL422B结构图

1.2.3 CPLD视频采集器

这一部分的核心控制是由可编程门阵列FPGA发展为图像采集处理的高速化、小型化、智能化开辟了新的空间。核心控制CPLD选用Altera公司的EMP7128SL85-15,主要用它来完成FIFO写控制，通知DSP读数据信号的产生等功能。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个可供用户使用的I/O引脚，PLCC封装，可通过JTAG接口实现在线片成。通过硬件描述语言（VHDL）在集成开发环境MAX PLUS Ⅱ下完成逻辑设计，提高了系统的可靠性，又降低了成本。CPLD的核心任务是是实现AL422B芯片的需要。

1.2.4 DSP数字信号处理器

采用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减少。TMS320VC5402 DSP主要特点如下：

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，包括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，允许16b带符号的惩罚；8个辅助寄存器及1个软件栈，数据/程序寻址空间1Mb*16b，内置4k*16bROM和16k*16bRAM；内置可编程等待状态发生器，锁相环时钟产生器，2个多通道缓冲串行口，1个8b并行于外部处理器通信的HPI口，2个16b定时器以及6个通道DMA控制器；低功耗，工作电源有3V和1.8V。

2、 智能运动系统

2．1 运载系统

2.1.1 运载系统的原理框图

通过前面的图像处理系统计算出的击球点的位置，计算出小车的行进路线输出给小车的驱动系统，使小车行驶到指定地点。

2.1.2 运载实现系统的主要部件

1、 机器人小车驱动系统机器人小车驱动系统由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。

( 1) 电机数量的选择为了让小车能灵活转弯采用三轮小车, 前轮是拖动轮, 两个后轮分别用两台电机驱动。当分别改变两台电机方向时, 可以使小车前进、后退和转弯。

( 2) 电机种类的选择电动小车采用伺服电动机驱动系统。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。加上合适的驱动系统, 完全可以完成机器人的各种功能。

2、 车速及路程计算模块的选择

采用开关型霍尔集成片, 在车轮上均匀地固定多个磁铁, 车轮转动时产生脉冲, 通过脉冲的计数,对速度进行测量。用转速乘以车轮的周长, 就是小车行驶的路程。由于霍尔传感器体积小, 灵敏度高,传送过程中无抖动现象且检测安装简单, 广泛应用于电机测速系统。

3、 电源选择方案

根据小车需要不停地运动, 采用单一电源供电方案, 电方式比较简单,但由于电动机起动瞬间电流很大, 而且PWM 驱动的电动机电流波动较大, 会造成电源电压不稳, 影响其他电路的正常工作。此方案将电机驱动利用光电耦合器进行连接。这样可以解决由于PWM 驱动的电动机电流波动对系统稳定性的影响, 从而提高了系统的可靠性。

2．2 球杆系统

2.2.1 球杆系统的原理框图

根据图像处理分析所得的桌面各球分布情况，和单片机编程语言中所设定选择各球的顺序，确定了目标球的位置。小车运行至球杆能够击到白球的距离范围内，此小车移动过程中，球杆收至与球桌边缘平行的方向，电机W1和W2均停止转动。

到达击球范围内时，小车停止运行，根据图像处理结果，以小车所在边缘为基线，分析球杆所应该旋转的角度，把该信息赋予PIC32单片机，然后，通过单机片发送脉冲信号到步进电机驱动器M1，控制步进电机W1完成相应角度的旋转。旋转过程中，为了提高步进电机运行到位的，从起始到接近所需角度的过程中，可以用连续高频脉冲缩短时间，然后在接近预定值的时候，则选用间断低频脉冲控制电机点动到位，中断其运行。

接着，根据图像处理结果，分析其桌球运动的路径长度，在单片机中预设相应的长度范围，将其所需力度分为从高到低分为五档；接着，通过