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。
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)。
1.2.2 帧存储器
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
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，通过单片机接收力度档位信息，发送相应的脉冲到伺服电机驱动器M2，使伺服电机W2分别以不同的速度连续转动一周，结束之后中断其运行。
由于电机W2的转动，带动曲柄滑块机构的球杆做急回运动，快速击球，然后较缓慢地返回原位置。
击球完毕，白球获得预定方向的速度接着进行击打彩球入袋，然后各球按照后续运动轨迹运行至动能为零静止。
