2023年電賽E題 國(guó)獎(jiǎng)

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制與自動(dòng)追蹤系統(tǒng)

團(tuán)隊(duì)介紹

獎(jiǎng) 項(xiàng):全國(guó)二等獎(jiǎng)

學(xué) 校:重慶科技學(xué)院

作 者:陳杭 石登云 茍洪嘉

題目要求

一、任務(wù)

設(shè)計(jì)制作一個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制與自動(dòng)追蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：

1、模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的紅色光斑位置控制系統(tǒng)。

2、指示自動(dòng)追蹤的綠色光斑位置控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意及擺放位置見(jiàn)圖 1（a）。

圖中兩個(gè)激光筆固定在各自獨(dú)立的二維電控云臺(tái)上。

紅色激光筆發(fā)射的光斑用來(lái)模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。光斑落在正前方距離 1m 處的白色屏幕上，光斑直徑≤1cm。紅色光斑位置控制系統(tǒng)控制光斑能在屏幕范圍內(nèi)任意移動(dòng)。

綠色激光筆發(fā)射的光斑由綠色光斑位置系統(tǒng)控制，用于自動(dòng)追蹤屏幕上的紅色光斑，指示目標(biāo)的自動(dòng)追蹤效果，光斑直徑≤1cm。

綠色激光筆放置線段如圖 1（b）所示。

該線段與屏幕平行，位于紅色激光筆兩側(cè)，距紅色激光筆距離大于 0.4m、小于 1m。

綠色激光筆在兩個(gè)放置線段上任意放置。

屏幕為白色，有效面積大于 0.6╳0.6m2。

用鉛筆在屏幕中心畫出一個(gè)邊長(zhǎng)0.5m的正方形，標(biāo)識(shí)屏幕的邊線；所畫的正方形的中心為原點(diǎn)，用鉛筆畫出原點(diǎn)位置，所用鉛筆痕跡寬≤1mm。

二、要求

1、設(shè)置運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置復(fù)位功能。執(zhí)行此功能，紅色光斑能從屏幕任意位置回到原點(diǎn)。光斑中心距原點(diǎn)誤差≤2cm。

2、啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制系統(tǒng)。紅色光斑能在 30 秒內(nèi)沿屏幕四周邊線順時(shí)針移動(dòng)一周，移動(dòng)時(shí)光斑中心距邊線距離≤2cm。
3、用約1.8cm寬的黑色電工膠帶沿A4紙四邊貼一個(gè)長(zhǎng)方形，構(gòu)成A4靶紙。將此A4靶紙貼在屏幕自定的位置。啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制系統(tǒng)，紅色光斑能在30秒內(nèi)沿膠帶順時(shí)針移動(dòng)一周。超時(shí)不得分，光斑完全脫離膠帶一次扣2分，連續(xù)脫離膠帶移動(dòng)5cm以上記為0分。
4、將上述 A4 靶紙以任意旋轉(zhuǎn)角度貼在屏幕任意位置。啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制系統(tǒng)，要求同（3）。
設(shè)計(jì)要求

一、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制理論

在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，基于OpenMV識(shí)別目標(biāo)點(diǎn)及軌跡并傳送坐標(biāo)數(shù)據(jù)給MCU，由主控MCU調(diào)整PWM輸出占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整，從而控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的復(fù)位、軌跡移動(dòng)、循跡等功能。首先，將OpenMV固定在合適位置以觀測(cè)到完整的目標(biāo)屏幕，利用OpenMV識(shí)別紅色激光返回的坐標(biāo)點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱紅斑），將激光筆依次在屏幕上移動(dòng)?；诨A(chǔ)題2要求，用激光筆在屏幕鉛筆畫的邊線上標(biāo)記8個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（擁有四個(gè)頂點(diǎn)，每?jī)蓚€(gè)頂點(diǎn)之間各取一個(gè)中點(diǎn)），分別按下按鍵記錄坐標(biāo)在MCU中，最后控制二維云臺(tái)依次將記錄的每一個(gè)點(diǎn)都走一遍。（運(yùn)動(dòng)目標(biāo)控制皆使用記錄坐標(biāo)構(gòu)建坐標(biāo)系的方法）

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的循跡功能（基礎(chǔ)題目3，4），需要通過(guò)OpenMV完成對(duì)黑色A4紙邊框的識(shí)別以確定矩形頂點(diǎn)坐標(biāo)，利用頂點(diǎn)坐標(biāo)分別計(jì)算出矩形四條邊框斜率，基于頂點(diǎn)及邊框斜率計(jì)算得到每條邊框上的20個(gè)標(biāo)記點(diǎn)（經(jīng)過(guò)測(cè)試，20個(gè)標(biāo)記點(diǎn)效果較為理想）。最后識(shí)別紅斑坐標(biāo)，控制二維云臺(tái)依次沿標(biāo)記點(diǎn)完成移動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)黑色矩形的循跡功能。

二、自動(dòng)追蹤系統(tǒng)方法

在自動(dòng)追蹤系統(tǒng)中，OpenMV需要完成對(duì)紅斑以及綠色激光筆的識(shí)別（以下簡(jiǎn)稱綠斑），因此需要單獨(dú)將OpenMV固定在二維云臺(tái)旁邊，不隨云臺(tái)移動(dòng)。OpenMV將識(shí)別d的坐標(biāo)數(shù)據(jù)通過(guò)串口返回到主控端，系統(tǒng)中對(duì)紅斑和綠斑設(shè)定有不同的幀頭幀尾防止誤判，主控接收到坐標(biāo)數(shù)據(jù)之后再分別對(duì)它們的橫縱坐標(biāo)值相減以獲取兩運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)距離。根據(jù)兩坐標(biāo)差值的正負(fù)，可獲知兩光斑的相對(duì)坐標(biāo)位置。這時(shí)只需要利用紅色和綠色Ｘ、Ｙ軸的差值，最后控制二維云臺(tái)的x，y軸增加或者減小角度即可。

在測(cè)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)PWM舵機(jī)偶爾莫名抖動(dòng)，分析這是由于坐標(biāo)數(shù)據(jù)存在噪聲導(dǎo)致。因此，本項(xiàng)目中采用采用卡爾曼濾波對(duì)OpenMV傳送的坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)其濾波，具體公式如下：

從而讓OpenMV反饋回來(lái)的坐標(biāo)與驅(qū)動(dòng)MG995舵機(jī)變得更加穩(wěn)定，能夠完成設(shè)計(jì)要求。

A:狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣

X(k-1):k-1時(shí)刻 狀態(tài)最優(yōu)估計(jì)值 B:控制輸入矩陣

U(k)：k時(shí)刻 狀態(tài)輸入控制量

W(k)：k時(shí)刻 卡爾曼增益

設(shè)計(jì)圖

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件原理圖

自動(dòng)追蹤系統(tǒng)硬件原理圖

控制程序流程圖

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主流程圖

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)串口流程

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)OpenMV流程圖
獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)參賽心得與經(jīng)驗(yàn)分享

編者以（以下為參賽團(tuán)隊(duì)自述）2023年第十六屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽為例，簡(jiǎn)單概述所指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)參賽過(guò)程及注意事項(xiàng)，以供讀者參考。

正式比賽前一天，應(yīng)提醒參賽隊(duì)員合理分配時(shí)間，保證充足的休息時(shí)間以具備良好體力，以應(yīng)對(duì)接下來(lái)四天三夜高強(qiáng)度工作的挑戰(zhàn)。

第一天

比賽賽題一般會(huì)在比賽第一天早上公布，在此之后，參賽團(tuán)隊(duì)與指導(dǎo)老師充分討論各題型關(guān)鍵技術(shù)及可能出現(xiàn)的問(wèn)題。迅速確定最終選題，并做好隊(duì)員之間的任務(wù)分工，以保證人力資源得到充分利用。

比賽初期，對(duì)題目進(jìn)行詳細(xì)分析，確定設(shè)計(jì)方案及技術(shù)難點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)所需元件清單，做好元器件及耗材的選型及補(bǔ)充購(gòu)置工作。其中，較為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是方案設(shè)計(jì)階段，一套有效、良好的技術(shù)方案能夠規(guī)避大多數(shù)可能出現(xiàn)的技術(shù)問(wèn)題。因此，比賽第一天不必急于動(dòng)手，隊(duì)員之間可充分討論商討，盡量確定一套前期資源充足的、符合隊(duì)伍實(shí)力的、較為合理的解決方案。

第二天

根據(jù)所確定的技術(shù)方案，對(duì)材料進(jìn)行整理，并利用已經(jīng)具備的硬件資源，設(shè)計(jì)出基本模型。以本案例設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為例，由于在前期準(zhǔn)備中，參賽隊(duì)員針對(duì)CW32F030芯片作了大量的訓(xùn)練，積累了較多的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。因此，在此次比賽中迅速確定了將CW32F030芯片作為主控MCU。另外，結(jié)合硬件資源及開(kāi)發(fā)難易程度，確定使用OpenMV為視覺(jué)識(shí)別模塊，以MG995舵機(jī)搭建二維簡(jiǎn)易云臺(tái)搭載激光筆。

第三天

確立好硬件部分的材料以及場(chǎng)地的簡(jiǎn)易搭建，整理好所有思路，本小組開(kāi)始全力攻克賽題。在前兩天中也在嘗試做本題，但也只是順著題目做了雛形，勾勒大概題目要求，精度尚與賽題要求有一段距離。本小組也逐漸進(jìn)入狀態(tài)，不斷提高精度并嘗試脫機(jī)調(diào)試，同時(shí)整理資料進(jìn)行撰寫報(bào)告與測(cè)試方案。

第四天

整理所有的資料以及代碼，作品開(kāi)始準(zhǔn)備完全脫機(jī)操作，報(bào)告實(shí)時(shí)跟進(jìn)作品進(jìn)度。完全脫機(jī)調(diào)試后，使用測(cè)試方案進(jìn)行調(diào)試，最后更改場(chǎng)地的位置和光線的強(qiáng)弱進(jìn)行脫機(jī)操作調(diào)試，作品很好的完成所選賽題要求，完成報(bào)告撰寫后，整理個(gè)人資料，作品封箱。

經(jīng)歷

我們?cè)谶^(guò)程中遇到的最大問(wèn)題是在脫機(jī)操作上，剛開(kāi)始本小組利用固定坐標(biāo)方式做E題賽題的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，讓舵機(jī)云臺(tái)采集每一個(gè)固定坐標(biāo)，讓舵機(jī)云臺(tái)按照邏輯進(jìn)行行動(dòng)，從而滿足賽題要求，但在這個(gè)過(guò)程中舵機(jī)云臺(tái)的有一點(diǎn)移動(dòng)，它所變現(xiàn)的坐標(biāo)與之前表現(xiàn)的坐標(biāo)相差甚遠(yuǎn)，對(duì)位置的要求極高，另一個(gè)場(chǎng)地顯然不可能百分百?gòu)?fù)刻。小組便開(kāi)始嘗試更改思維，先更改到利用算法處理舵機(jī)云臺(tái)反饋的坐標(biāo)點(diǎn)，但始終達(dá)不到滿意的精度效果。后面小組決定在源頭改變，不再利用舵機(jī)云臺(tái)反饋?zhàn)鴺?biāo)，利用open MV進(jìn)行坐標(biāo)定位并通過(guò)MCU記住坐標(biāo)，這樣可以跳出固定思維，可以讓作品在更改場(chǎng)地的情況下隨時(shí)確定坐標(biāo)參數(shù)，再讓舵機(jī)云臺(tái)按照邏輯進(jìn)行行動(dòng)，從而滿足賽題要求。最后，本團(tuán)隊(duì)配合默契，斬獲2023ti杯國(guó)家二等獎(jiǎng)。

審核編輯 黃宇