2023年電賽E題 國獎

運動目標控制與自動追蹤系統(tǒng)

團隊介紹

獎 項:全國二等獎

學 校:重慶科技學院

作 者:陳杭 石登云 茍洪嘉

題目要求

一、任務

設計制作一個運動目標控制與自動追蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)包括：

1、模擬目標運動的紅色光斑位置控制系統(tǒng)。

2、指示自動追蹤的綠色光斑位置控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)結構示意及擺放位置見圖 1（a）。

圖中兩個激光筆固定在各自獨立的二維電控云臺上。

紅色激光筆發(fā)射的光斑用來模擬運動目標。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任意移動。

綠色激光筆發(fā)射的光斑由綠色光斑位置系統(tǒng)控制，用于自動追蹤屏幕上的紅色光斑，指示目標的自動追蹤效果，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，距紅色激光筆距離大于 0.4m、小于 1m。

綠色激光筆在兩個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邊長0.5m的正方形，標識屏幕的邊線；所畫的正方形的中心為原點，用鉛筆畫出原點位置，所用鉛筆痕跡寬≤1mm。

二、要求

1、設置運動目標位置復位功能。執(zhí)行此功能，紅色光斑能從屏幕任意位置回到原點。光斑中心距原點誤差≤2cm。

2、啟動運動目標控制系統(tǒng)。紅色光斑能在 30 秒內沿屏幕四周邊線順時針移動一周，移動時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紙四邊貼一個長方形，構成A4靶紙。將此A4靶紙貼在屏幕自定的位置。啟動運動目標控制系統(tǒng)，紅色光斑能在30秒內沿膠帶順時針移動一周。超時不得分，光斑完全脫離膠帶一次扣2分，連續(xù)脫離膠帶移動5cm以上記為0分。
4、將上述 A4 靶紙以任意旋轉角度貼在屏幕任意位置。啟動運動目標控制系統(tǒng)，要求同（3）。
設計要求

一、運動目標控制理論

在運動控制系統(tǒng)中，基于OpenMV識別目標點及軌跡并傳送坐標數(shù)據(jù)給MCU，由主控MCU調整PWM輸出占空比實現(xiàn)對舵機運動參數(shù)的調整，從而控制云臺轉動實現(xiàn)對運動目標的復位、軌跡移動、循跡等功能。首先，將OpenMV固定在合適位置以觀測到完整的目標屏幕，利用OpenMV識別紅色激光返回的坐標點（以下簡稱紅斑），將激光筆依次在屏幕上移動。基于基礎題2要求，用激光筆在屏幕鉛筆畫的邊線上標記8個坐標點（擁有四個頂點，每兩個頂點之間各取一個中點），分別按下按鍵記錄坐標在MCU中，最后控制二維云臺依次將記錄的每一個點都走一遍。（運動目標控制皆使用記錄坐標構建坐標系的方法）

對于運動控制系統(tǒng)的循跡功能（基礎題目3，4），需要通過OpenMV完成對黑色A4紙邊框的識別以確定矩形頂點坐標，利用頂點坐標分別計算出矩形四條邊框斜率，基于頂點及邊框斜率計算得到每條邊框上的20個標記點（經(jīng)過測試，20個標記點效果較為理想）。最后識別紅斑坐標，控制二維云臺依次沿標記點完成移動，即可實現(xiàn)對黑色矩形的循跡功能。

二、自動追蹤系統(tǒng)方法

在自動追蹤系統(tǒng)中，OpenMV需要完成對紅斑以及綠色激光筆的識別（以下簡稱綠斑），因此需要單獨將OpenMV固定在二維云臺旁邊，不隨云臺移動。OpenMV將識別d的坐標數(shù)據(jù)通過串口返回到主控端，系統(tǒng)中對紅斑和綠斑設定有不同的幀頭幀尾防止誤判，主控接收到坐標數(shù)據(jù)之后再分別對它們的橫縱坐標值相減以獲取兩運動目標的相對距離。根據(jù)兩坐標差值的正負，可獲知兩光斑的相對坐標位置。這時只需要利用紅色和綠色Ｘ、Ｙ軸的差值，最后控制二維云臺的x，y軸增加或者減小角度即可。

在測試過程中，發(fā)現(xiàn)PWM舵機偶爾莫名抖動，分析這是由于坐標數(shù)據(jù)存在噪聲導致。因此，本項目中采用采用卡爾曼濾波對OpenMV傳送的坐標數(shù)據(jù)進行對其濾波，具體公式如下：

從而讓OpenMV反饋回來的坐標與驅動MG995舵機變得更加穩(wěn)定，能夠完成設計要求。

A:狀態(tài)轉移矩陣

X(k-1):k-1時刻 狀態(tài)最優(yōu)估計值 B:控制輸入矩陣

U(k)：k時刻 狀態(tài)輸入控制量

W(k)：k時刻 卡爾曼增益

設計圖

運動控制系統(tǒng)硬件原理圖

自動追蹤系統(tǒng)硬件原理圖

控制程序流程圖

自動跟蹤系統(tǒng)主流程圖

自動跟蹤系統(tǒng)串口流程

自動跟蹤系統(tǒng)OpenMV流程圖
獲獎團隊參賽心得與經(jīng)驗分享

編者以（以下為參賽團隊自述）2023年第十六屆全國大學生電子設計競賽為例，簡單概述所指導團隊參賽過程及注意事項，以供讀者參考。

正式比賽前一天，應提醒參賽隊員合理分配時間，保證充足的休息時間以具備良好體力，以應對接下來四天三夜高強度工作的挑戰(zhàn)。

第一天

比賽賽題一般會在比賽第一天早上公布，在此之后，參賽團隊與指導老師充分討論各題型關鍵技術及可能出現(xiàn)的問題。迅速確定最終選題，并做好隊員之間的任務分工，以保證人力資源得到充分利用。

比賽初期，對題目進行詳細分析，確定設計方案及技術難點，統(tǒng)計所需元件清單，做好元器件及耗材的選型及補充購置工作。其中，較為關鍵的環(huán)節(jié)是方案設計階段，一套有效、良好的技術方案能夠規(guī)避大多數(shù)可能出現(xiàn)的技術問題。因此，比賽第一天不必急于動手，隊員之間可充分討論商討，盡量確定一套前期資源充足的、符合隊伍實力的、較為合理的解決方案。

第二天

根據(jù)所確定的技術方案，對材料進行整理，并利用已經(jīng)具備的硬件資源，設計出基本模型。以本案例設計團隊為例，由于在前期準備中，參賽隊員針對CW32F030芯片作了大量的訓練，積累了較多的實戰(zhàn)經(jīng)驗。因此，在此次比賽中迅速確定了將CW32F030芯片作為主控MCU。另外，結合硬件資源及開發(fā)難易程度，確定使用OpenMV為視覺識別模塊，以MG995舵機搭建二維簡易云臺搭載激光筆。

第三天

確立好硬件部分的材料以及場地的簡易搭建，整理好所有思路，本小組開始全力攻克賽題。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。本小組也逐漸進入狀態(tài)，不斷提高精度并嘗試脫機調試，同時整理資料進行撰寫報告與測試方案。

第四天

整理所有的資料以及代碼，作品開始準備完全脫機操作，報告實時跟進作品進度。完全脫機調試后，使用測試方案進行調試，最后更改場地的位置和光線的強弱進行脫機操作調試，作品很好的完成所選賽題要求，完成報告撰寫后，整理個人資料，作品封箱。

經(jīng)歷

我們在過程中遇到的最大問題是在脫機操作上，剛開始本小組利用固定坐標方式做E題賽題的運動控制系統(tǒng)，讓舵機云臺采集每一個固定坐標，讓舵機云臺按照邏輯進行行動，從而滿足賽題要求，但在這個過程中舵機云臺的有一點移動，它所變現(xiàn)的坐標與之前表現(xiàn)的坐標相差甚遠，對位置的要求極高，另一個場地顯然不可能百分百復刻。小組便開始嘗試更改思維，先更改到利用算法處理舵機云臺反饋的坐標點，但始終達不到滿意的精度效果。后面小組決定在源頭改變，不再利用舵機云臺反饋坐標，利用open MV進行坐標定位并通過MCU記住坐標，這樣可以跳出固定思維，可以讓作品在更改場地的情況下隨時確定坐標參數(shù)，再讓舵機云臺按照邏輯進行行動，從而滿足賽題要求。最后，本團隊配合默契，斬獲2023ti杯國家二等獎。

審核編輯 黃宇