2023年電賽E題 國獎

運動目標控制與自動追蹤系統

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。系統包括：

1、模擬目標運動的紅色光斑位置控制系統。

2、指示自動追蹤的綠色光斑位置控制系統。

系統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控制光斑能在屏幕范圍內任意移動。

綠色激光筆發射的光斑由綠色光斑位置系統控制，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。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，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，要求同（3）。
設計要求

一、運動目標控制理論

在運動控制系統中，基于OpenMV識別目標點及軌跡并傳送坐標數據給MCU，由主控MCU調整PWM輸出占空比實現對舵機運動參數的調整，從而控制云臺轉動實現對運動目標的復位、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，即可實現對黑色矩形的循跡功能。

二、自動追蹤系統方法

在自動追蹤系統中，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的坐標數據通過串口返回到主控端，系統中對紅斑和綠斑設定有不同的幀頭幀尾防止誤判，主控接收到坐標數據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，發現PWM舵機偶爾莫名抖動，分析這是由于坐標數據存在噪聲導致。因此，本項目中采用采用卡爾曼濾波對OpenMV傳送的坐標數據進行對其濾波，具體公式如下：

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

A:狀態轉移矩陣

X(k-1):k-1時刻 狀態最優估計值 B:控制輸入矩陣

U(k)：k時刻 狀態輸入控制量

W(k)：k時刻 卡爾曼增益

設計圖

運動控制系統硬件原理圖

自動追蹤系統硬件原理圖

控制程序流程圖

自動跟蹤系統主流程圖

自動跟蹤系統串口流程

自動跟蹤系統OpenMV流程圖
獲獎團隊參賽心得與經驗分享

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。

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，較為關鍵的環節是方案設計階段，一套有效、良好的技術方案能夠規避大多數可能出現的技術問題。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

根據所確定的技術方案，對材料進行整理，并利用已經具備的硬件資源，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，積累了較多的實戰經驗。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，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，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，它所變現的坐標與之前表現的坐標相差甚遠，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，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