滚球系统是一种通过机械装置实现小球精确定位的技术，广泛应用于电子设计竞赛和工程实践中。其核心原理结合了硬件采集与算法控制，具体可分为以下几个部分：

一、硬件组成与图像采集

摄像头与图像处理模块

通过摄像头采集滚球装置中小球与平板的图像，利用Nanopi M3或Nanopi 2 Fire等微控制器进行图像处理。图像处理单元将图像二值化后，通过坐标变换获取小球在平板上的精确位置坐标（x, y）。

传感器与执行机构

传感器：

Nanopi系列微控制器作为核心控制器，接收图像处理后的位置信息。

执行机构：采用双舵机系统，通过控制平板在X轴和Y轴方向上的倾斜角度，间接控制小球的直线运动和绕环运动。

二、控制算法与运动控制

PID控制算法

比例（P）：

快速响应位置偏差，减少超调。

积分（I）：消除静态误差，实现无静差控制。

微分（D）：预测误差趋势，加快动态响应。

通过三个方向上的PID控制，协调双舵机的动作，使平板形成合适角度以保持小球在目标位置或轨迹上。

运动模式扩展

该系统可扩展为多变量、非线性控制对象，例如实现自由摆运动、快速制动、画圆或按指定方向偏移等复杂轨迹控制。

三、典型应用场景

电子设计竞赛：

如2017年Arduino电子设计大赛中，滚球系统需实现小球平衡、轨迹绘制等功能。

工业自动化：可应用于精密定位、物料分拣等场景，但需结合高精度传感器和强力执行机构。

四、关键挑战与优化

精度提升：通过优化PID参数和硬件滤波，可提高位置控制的精度和稳定性。

抗干扰能力：增加传感器冗余和算法鲁棒性，确保在复杂环境下的可靠性。

综上，滚球系统通过硬件与算法的协同作用，实现了对自由滚动小球的精准定位与轨迹控制，是现代工程控制领域的重要技术之一。