2023年-E题-运动目标控制与自动追踪系统-遇到困难睡大觉

运动目标控制与自动追踪系统

一、团队介绍

我们是来自南京邮电大学的遇到困难睡大觉队伍，我们在2023年电赛中选择的题目是E题-运动目标控制与自动追踪系统，并获得全国一等奖的好成绩。

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。

三、题目分析

为了降低赛题难度，建议红色激光云台开环控制，绿色激光云台才闭环控制。
既然红色激光云台开环控制，那么基础部分就很好解决了。基础1就把云台控制回原点；基础2就是把云台控制连续地去4个顶点，由于是开环控制，步进电机的转动角度是可以直接算出来的，具体运算见附件区的代码；基础3就是在基础2的基础上将4个顶点改为视觉部分识别到的A4黑框的4个顶点即可。
对于绿色激光云台，说白了就是要实现PID跟踪。由于我们使用的是步进电机，对于这种驱动电机，我们应该使用增量式PID，具体来说就是PID的输入为两激光点的距离差（这部分由视觉部分实现），输出即为步进电机的步进角度（脉冲数量），具体实现见附件区代码。

四、方案选择

今年的控制题，看起来很复杂，其实就两个字——精度。解决了系统的精度问题，后面的各种任务代码都能迎刃而解。
首先是云台方案的选择，这极大地影响了整个系统的精度和准确度。笔者首先选择的方案是舵机，这也是大多数队伍选择的方案。这种方案在题目要求的环境中会有很大的限制：虽然舵机的控制比较简单，但是舵机的运动精度较低，更适合用于小车方向舵打角等类似的旋转角度大、旋转范围小的使用场合。而题目所描述的场景中，激光笔与投影屏幕之间有1m的距离，在这种情况下，若想实现光斑在屏幕上的毫米级移动，就要求我们的旋转机构要实现极小的旋转角：atan(1/1000)≈0.0573°
即约0.05°的旋转角度角度才能满足我们的毫米级追踪要求。但这是市面上的PWM舵机无法达到的精度，于是笔者使用步进电机来搭建二维平台，通过32细分的步进电机驱动可以实现0.18°/32=0.05625°，进而实现毫米级控制精度。二维平台如图所示：

为了进一步提升控制精度，并且避免不必要的干扰，我们使用铝型材搭建了整个系统平台，步进电机云台、单片机和树莓派等都安装在平台上，保证系统的稳定精确，如图所示：

为了达到激光笔重合也能分辨出红绿激光的区别，我们在摄像头外加上了滤光片装置，实现对650nm（红色）光源和530nm（绿色）激光的分别滤出，实现分辨激光的目的。系统只需简单二值化和边缘检测即可找到激光圆点的坐标。滤光片装置如图：

将红色激光笔照射到屏幕上，通过滤光片后的画面如图13所示，可以看到，红色画面能看到清晰的红色亮斑，绿色滤光片由于将红光滤除在外，看不到明显的光斑。

五、程序控制框图

基础部分的运动控制程序流程图如图所示：

二维云台两个轴的角度与激光点在平面上的二维坐标并不是线性的映射关系，其轨迹可以近似等效成一个双曲线，需要对其加以解析几何推导公式进行修正（具体实现见附件区代码）。

六、硬件电路组成

整个系统的主要电路结构如图所示：

在本系统中，总电源来自于一块锂电池（电压约12V），控制器和树莓派等弱电电路工作需要5V的工作电压，这就需要一个降压模块。我们选择了SY8303这颗DCDC降压芯片，它具有输入电压宽、开关频率高、封装体积小等优点。SY8303降压模块电路原理图和实物图如下：

在整个系统的设计中，控制器对于步进电机的控制是至关重要的一环，为了提升整个系统的稳定性，我们将控制器电路、激光驱动电路、步进电机驱动电路以及声光提醒电路进行了集成化处理，如图所示。