2023年+电赛E题+运动目标控制与自动追踪系统+麦克斯韦说的都队

一、团队介绍

三名成员是来自华北电力大学的电气、通信等专业的大三学生。此团队参加2023年全国电赛，完成E题并获得全国一等奖

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。绿色激光笔放置线段如图 1（b）所示，该线段与屏幕平行，位于红色激光笔两侧，距红色激光笔距离大于 0.4m、小于 1m。绿色激光笔在两个放置线段上任意放置。
屏幕为白色，有效面积大于 0.6╳0.6m2。用铅笔在屏幕中心画出一个边长0.5m 的正方形，标识屏幕的边线；所画的正方形的中心为原点，用铅笔画出原点位置，所用铅笔痕迹宽≤1mm。

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）。

1. 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。

3）其他。

三、设计摘要

随着机器视觉技术发展，工业生产中设备的自动化、智能化程度也在不断提高。而追踪系统就是最常见的机器视觉应用场景。运动目标控制与自动追踪系统以“香橙派”卡片电脑为计算核心，使用OpenCV库实现图片降噪、颜色识别等功能，再依靠透视变换算法矫正视角，将处理结果通过自主设计的通信协议传输给STM32单片机，控制其状态机工作，最后使用STM32单片机通过增量式PID算法控制数字舵机，控制二维云台实现运动目标指示与追踪功能。

四、题目分析

在阅读研究题目后，我们认为机器视觉是本题目最具有挑战性的部分，云台控制器件则有极高的精度要求，主控逻辑与电路搭建的难度相对较低。因此，我们按照机器视方案、云台驱动方案的选择、逻辑控制器的顺序论证与选择系统方案。
由于本次控制题目的视觉任务目标不需要识别数字或字母，无需训练神经网络，因此Maixpy-K210单片机方案被首先排除。在测试过程中，我们发现OpenMV单片机摄像机虽然视角较大，但是图片分辨率较低，难以在光照质量不佳的情况下识别照射在靶纸黑色电工胶带线上的红色激光光斑，因此放弃了OpenMV方案，选择“香橙派”卡片电脑搭载linux系统与OpenCV的方案实现机器视觉功能。
本题中二维云台的控制器件必须要有足够高的控制精度。在如此高的精度要求下，有步进电机和舵机两种技术路线可供选择。步进电机控制精度极高，响应速度很快，但是控制方法相对复杂。舵机控制方法简单，精度较高，但存在旋转死角，无法360度旋转，且存在控制死区。舵机的控制死区误差为0.4微秒，换算成角度死区为0.36度，在极限情况下误差为1.25-tan(arctan(1.25)-0.36)=15.98mm。 根据题目要求，循迹误差在18-30mm之间，且激光笔视角仅为2*arctan0.3=3.398度，因此舵机即可满足题目的控制要求。考虑到运动目标控制与自动追踪系统的搭建效率，我们最终选择了舵机的控制方案。

五、总体设计框图

六、硬件电路组成

1、模块化控制器电路设计结合历年比赛经验与备赛经验，为了提高电路可靠性，我们设计了模块化的 STM32 单片机控制器，并设置反接、过流的保护电路，预留电机、舵机、屏幕、陀螺仪等常用硬件模块的接口。模块化的优势在于一旦出现实验事故损坏控制器，可以在保证原始程序不变的情况下立刻更换控制器，快速解决故障。本次使用的模块化控制器请见原理图与PCB图部分。
2、供电电路设计根据参数手册，舵机的控制电压为 4.8-6.5V，堵转电流高达 1.8A，因此在设计电源 PCB 时我们选择 LM2596 型 DC-DC 电源芯片作为舵机的电压源。考
虑到自动追踪系统需要搬运，因此我们选择使用航模电池作为系统的供电方案。“香橙派”卡片电脑需要 5V3A 的大电流供电，因此我们选用了两个大容量18650 电池及配套供电模块作为供电电源。控制器与舵机的供电电路板电路请见原理图与PCB图部分。

七、程序流程图

运动目标控制系统需要执行任务选择与切换、机器视觉、云台舵机闭环控制等功能。因此，运动目标控制系统的 STM32 控制器需要具备较强的鲁棒性，防止误动和拒动。因此，我们为 STM32 单片机上编写状态机实现控制功能决策与电路驱动控制。
状态机如下：

本题目中的自动追踪系统功能较为简单，一键启动后仅需追踪运动目标控制系统发出的红色激光，逻辑较为简单，没有采用状态机设计。

八、实物展示

(1)整体装置展示

（2）舵机控制与供电部分
采用了模块化拼接设计，将上传的三块PCB进行层与层的连接，整体效果如下图


然后是舵机接口留出的示意图

（3）视觉部分
图像处理使用了香橙派5

视觉采集使用配套的摄像头

香橙派供电模块

（4）舵机选择

选择的舵机和摄像头价格都比较低，整个作品的成本还是比较低的

九、注意事项

1. 供电板功率较大，请注意用电安全，防止短路

2. 请注意串口连接和供地

3. 香橙派请使用debian系统，并打开串口

4. python版本为3.9，且安装opencv和tkinter环境

十、演示视频

见附件一-附件四

十一、附件内容