2023电赛+E题+运动目标控制与自动追踪系统+dut999队

一、团队介绍

团队成员：孙铭泽，金昱霖，夏一鸣。
学校：大连理工大学。
奖项：获得2023年电赛国家级一等奖。

二、题目要求

设计制作一个运动目标控制与自动追踪系统。系统包括模拟目标运动的红色
光斑位置控制系统和指示自动追踪的绿色光斑位置控制系统。系统结构示意及摆
放位置见图 1（a）。图中两个激光笔固定在各自独立的二维电控云台上。

红色激光笔发射的光斑用来模拟运动目标，光斑落在正前方距离 1m 处的白
色屏幕上，光斑直径≤1cm。红色光斑位置控制系统控制光斑能在屏幕范围内任
意移动。
绿色激光笔发射的光斑由绿色光斑位置系统控制，用于自动追踪屏幕上的红
色光斑，指示目标的自动追踪效果，光斑直径≤1cm。

1. 基本要求

（1）设置运动目标位置复位功能。执行此功能，红色光斑能从屏幕任意位置
回到原点。光斑中心距原点误差≤2cm。
（2）启动运动目标控制系统。红色光斑能在 30 秒内沿屏幕四周边线顺时针
移动一周，移动时光斑中心距边线距离≤2cm。
（3）用约 1.8cm 宽的黑色电工胶带沿 A4 纸四边贴一个长方形，构成 A4 靶
纸。将此 A4 靶纸贴在屏幕自定的位置。启动运动目标控制系统，红色光斑能在
30 秒内沿胶带顺时针移动一周。超时不得分，光斑完全脱离胶带一次扣 2 分，
连续脱离胶带移动 5cm 以上记为 0 分。
（4）将上述 A4 靶纸以任意旋转角度贴在屏幕任意位置。启动运动目标控制
系统，要求同（3）。

2. 发挥部分

（1）运动目标位置复位，一键启动自动追踪系统，控制绿色光斑能在 2 秒
内追踪红色光斑，追踪成功发出连续声光提示。此时两个光斑中心距离应≤3cm。
（2）运动目标重复基本要求（3）~（4）的动作。绿色激光笔发射端可以放
置在其放置线段的任意位置，同时启动运动目标及自动追踪系统，绿色光斑能自
动追踪红色光斑。启动系统 2 秒后，应追踪成功，发出连续声光提示。此后，追
踪过程中两个光斑中心距离大于 3cm 时，定义为追踪失败，一次扣 2 分。连续
追踪失败 3 秒以上记为 0 分。
运动目标控制系统和自动追踪系统均需设置暂停键。同时按下暂停键，红色
和绿色光斑应立即制动，以便测量两个光斑中心距离。

三、设计摘要

运动目标控制与自动追踪系统包括模拟目标运动的红色光斑位置控制系统和指示自动追踪的绿色光斑位置控制系统，均采用NXP RT1064作为MCU，使用OpenMV单片机摄像头进行识别，再通过串口将屏幕边线、A4靶纸、红色光斑、绿色光斑的位置信息传递给主控单片机，进而通过控制二维云台，用PID算法辅助，实现对红色光斑运动的控制和绿色光斑对红色光斑的追踪。其中自动追踪系统可以通过语音模块接收启动和停止的指令，从而控制绿色光斑追踪的启动和暂停。

四、题目分析

宏观来看，需要准备两个云台，红色激光云台摄像头固定，绿色激光云台摄像头方向与激光照射方向平行。
细分每一道题：
基础1题2题，由于外边框50cm铅笔线过于细小，摄像头很难识别到，所以开环控制，调试对准位置即可。
基础3题4题本质上是一道题，使用openmv识别矩形框，将内外边界四角坐标平均值发送到下方主控，由于openmv无法区分内外框，而识别的大多数是外框，所以需要识别后缩减即可。之后转为识别红色激光，根据红色激光在图像上的坐标，与应该去往的矩形框坐标进行做差，输入到pid控制器中，即可完成修正。
提升1题2题只要完成跟踪即可，需要用到第二个云台。第二个云台的摄像头不光要识别红色，也要识别绿色，通过不同的协议发送到下方主控，主控解析二者之间的距离，输入到pid控制器中。

五、总体设计框图

图 5.1.1 运动目标控制系统总体框图

图 5.1.2 自动追踪系统总体框图

六、硬件电路组成

主要由核心板RT1064，以及主控板，和舵机驱动板组成。此外还有Openmv扩展板，方便接线。外置硬件有openmv，总线舵机及信号转换板，红绿色激光笔。

红绿色激光云台主控：

红绿色激光云台舵机驱动：

Openmv扩展板：

七、程序流程图

基础部分：

提升部分：

八、实物展示

九、注意事项

1.亚克力切割时要尽量让m3螺丝没有余量正好穿过，以防止运行机械结构抖动的问题。
2.上方2号舵机前大齿轮固定需要调整好所选材料的长度，此外还需要两个轴承减小摩擦力，提高稳定性。
3.openmv识别红绿激光对光照要求较高，我们发现较暗的环境下识别效果较好。
4.绿色激光光强不能盖过红色光，否则两个云台都可能识别不出来红色。
5.使用飞特总线舵机，代码是移植好的，注意scs系列和sts系列的协议稍有区别，根据数据手册，sts多了加速度位，且sts系列的控制总线舵机位置等字节存储顺序是和scs相反的。
6.减速齿轮虽然限制了舵机移动范围，但确实提升了精度。下层减速比1:3.6,上层1:2.7。
7.openmv受光照影响较大，可能需要稍调阈值，识别矩形框采用find rect函数，识别红绿激光笔采用调节LAB阈值再使用find blob函数。
8.软件识别矩形框并修正的思路：识别到矩形四个角点，发送到RT1064主控，此后不断识别红色激光所在的openmv图像坐标系下的坐标，将差值输入到pid控制器中。

十、演示视频

已上传至嘉立创EDA。

十一、附件内容

已上传至嘉立创EDA。

注：更完整的工程文件如下：

链接：https://pan.baidu.com/s/1or7Rf23QVhiv5apsh9OZSg?pwd=e4ex 提取码：e4ex