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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:莊文宗
研究生(外文):Chuang, Wen-Chung
論文名稱:影像伺服控制之球與板系統設計
論文名稱(外文):Visual Servoing Control Design for a Ball and Plate System
指導教授:鄭智湧鄭智湧引用關係
指導教授(外文):Cheng, Chih-Yung
口試委員:鄭智湧余國瑞柳世民盧晃瑩
口試日期:2016-06-27
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2016
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:57
中文關鍵詞:球與板系統視覺伺服Borland C++ BuilderPID控制器
外文關鍵詞:ball and platevisual servoingBorland C++ BuilderPID control
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本論文主要在製作一套以電腦視覺與伺服控制為基礎的球與板控制系統。其整體系統中包含了機構設計,電路設計,單晶片操作,電腦視覺應用與控制軟體設計。
球與板系統為一非線性不穩定系統,此論文設計回授控制器來達到球體自主穩定平衡在板上的目的。系統使用電腦視覺檢測並回授球體位置,再藉由PID控制器來得出伺服動作的驅動參數。另外,系統所設計的GUI介面讓使用者可切換目標位置,並透過座標記錄球體移動曲線,可加以確認平衡的狀況。
機構設計部分主要考量球與板控制系統的平衡任務,因此須兼顧平衡板動作的方向性與流暢性,並使X軸與Y軸的動作能獨立進行。電路部分使用Arduino Pro Mini晶片控制伺服馬達MG995,另外使用降壓模組降成5V提供馬達電源。單晶片Arduino Pro Mini操作的模式為接收電腦經由通訊連接埠傳輸過來的指令,藉此控制伺服馬達動作。電腦視覺應用主要使用OpenCV來處理,進行二值化並得出目標物面積與質心,以質心作為球體座標。控制器設計分成X軸PID控制器與Y軸PID控制器,並透過這兩組控制器得出X軸伺服馬達轉動角度與Y軸伺服馬達轉動角度。控制軟體使用Borland C++ Builder編輯,在界面上可操作目標點座標與上述兩組PID控制器的參數。

關鍵字: 球與板系統,視覺伺服,Borland C++ Builder,PID控制器

In this thesis, we designed a ball-on-plate control system based on computer vision and servo control. The entire system integrates several ingredients such as mechanism design, circuit design, microcontroller firmware design, PID control algorithm and computer vision application.
The ball-on-plate system is a typical nonlinear and unstable system. In this study, we made the ball robustly stay on the board via a feedback control system, which measured the location of the ball through computer vision and then gained servo control signals from PID controller. The system can be operated to change tracking points and to show and record the real-time ball trajectory on the designed GUI.
The mechanism includes a ball and plate control system, which should minimize the interference between X- and Y-axis movements. Arduino Pro Mini is used to control the servo motor MG995, and the power voltage is reduced to 5V by a buck converter. The microcontroller firmware receives control commands from PC via serial ports and sends control actions to servo motors. The computer vision task is mainly performed by OpenCV, which calculates the target area and center of mass from the captured image. The center of mass is used as the target coordinate. The PID algorithm divides into X- and Y-axis controllers, and provides the rotation angles of X- and Y-axis Servo motors. The control software was coded by Borland C++ Builder and could be used to tune the parameters of the PID controllers.

Keywords : ball and plate, visual servoing, Borland C++ Builder, PID control

摘要 I
Abstract II
目次 III
圖次 V
表次 VII
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究目的 1
1.3研究步驟 1
1.4本文結構 2
第二章 機構設計 3
2.1機構參考 3
2.2機構草圖設計 5
2.3機構材料介紹 8
2.3.1萬向球輪 8
2.4機構實體設計 9
2.4.1平衡板設計 10
2.4.2底座設計 12
第三章 電路與單晶片程式設計 14
3.1電路設計 14
3.2電路材料介紹 15
3.2.1 Arduino Pro Mini 15
3.2.2降壓模組XL4015 16
3.2.3伺服馬達MG995 17
3.3單晶片開發軟體 18
3.4單晶片程式設計 19
3.5動作測試 20
第四章 軟體設計 21
4.1軟體架構 21
4.2軟體開發工具 22
4.2.1 Borland C++ Builder 6.0 22
4.2.2 OpenCV 22
4.3影像處理 23
4.3.1網路攝影機 23
4.3.2前置處理 24
4.3.3影像處理流程 26
4.3.4影像二值化 27
4.3.5質心座標與面積 29
4.4程式流程與配置 30
4.4.1視窗一 31
4.4.2視窗二 32
4.4.3視窗三 33
4.5程式功能介紹 35
4.6 PID控制器 37
第五章 執行結果 39
5.1實驗設定 39
5.2實驗介紹 40
5.3球平衡實驗 41
5.4球拋入實驗 43
5.5干擾實驗 46
5.6追蹤實驗1 49
5.7追蹤實驗2 52
5.8實驗檢討 55
第六章 結論與未來展望 56
6.1結論 56
6.2未來展望 56
參考文獻 57

[1] 周景荃,「球板系統之影像伺服控制及路徑規劃」,國立中山大學機械與機電工程學系碩士論文,2009
[2] 廖顯慶,「利用倒階設計方法於球與板系統的追蹤平衡控制」,國立成功大學工程科學研究所碩士論文,2006
[3] 朱立銘,「以視覺伺服為基礎之球與板系統追蹤平衡控制」,國立成功大學工程科學研究所碩士論文,2009
[4] https://www.pololu.com/product/952 萬向球輪
[5] Jeremy Blum, “Exploring Arduino: Tools and Techniques for Engineering Wizardry”, WILEY, 2013.
[6] Julien Bayle, “C Programming for Arduino”, PACKT, 2013.
[7] 吳國駿,“PID與狀態回授控制器應用於倒單擺系統之分析比較“,國立高雄應用科技大學電機工程系博碩士班論文,2007
[8] 陳寬達,C++Builder 深度歷險,碁峰,2002
[9] Gary Bradski&; Adrian Kaebler著,于仕琪、劉瑞禎譯,“學習OpenCV”,清華大學出版社,2009
[10] http://www.embedded-vision.com/platinum-members/bdti/embedded-vision-training/documents/pages/introduction-computer-vision-using-op OpenCV
[11] 黃文吉,C++ Builder與影像處理,儒林圖書,2003
[12] https://zh.wikipedia.org/wiki/PID控制器
[13] 王惠民,“機械臂於追蹤移動目標物之視覺伺服控制”,國立成功大學機械工程學系碩士論文,1999

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