23国电赛E题论文

本系统主要由STM32F103ZET6和C8T6单片机控制模块、通过带处理器的OpenMV4模块实现白色屏幕图像识别以及A4 靶纸的边缘循迹功能，OpenMV4输出PWM，实现对舵机控制借助二维电动云台绑定激光笔进行模拟运动目标和自动追踪效果，STM32F103ZET6和C8T6单片机通过计算路径的偏差，采取PID开环控制算法，来调控舵机云台实现绿色光斑追踪红色光斑，追踪成功发出连续声光提示。下面分别论证这几个模块的选择。

1.1.1、控制器选用

单片机比较

方案一：采用传统的51系列单片机。

     51单片机是经典易上手，编程较为灵活，但其地址空间上仅有64KB，片上储存器较小，无内置AD，外设串口较少，控制精度较低，采样速度较慢，因此对于本设计较为不便。

方案二：采用STM32F103ZET6、C8T6单片机

     STC32单片机的性能较高，储存器较大，具有内部数据储存功能，可以进行串口调试，低功耗，具有实时性，串口完全满足本装置需求，价格合适，信息处理速度较快。

    通过比较，我们选择方案二。

1.1.2、控制系统方案选择

方案一：

采用在面包板上搭建简易单片机系统

    在面包板上搭建单片机系统可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，适合本系统使用。

方案二：

自制洞洞板单片机

    自制印刷电路实现较为困难，实现周期长，此外也会花费较多的时间，影响整体设计进程。不宜采用该方案。 

方案三：

采用单片机最小体统。

    单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、复位等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系统的设计。

综合以上三种方案，选择方案一、三。

1.2、视觉图像识别模块的论证与选择

方案一：

采用K210，发现K210的缺点还是有的。 首先就是摄像头视角问题，官方maix-bit套件中的摄像头视角太小，不能很好的完全显示0.6X0.6㎡的白色屏幕，也会出现误识别，发烫严重，flash小，刷大固件有时卡。

方案二：

采用OpenMV4摄像头，在OpenMV4文件系统中存储多个模板，使用NCC多模板匹配算法，支持 Python 语言，易于编程和调试，它还搭载了 ARM Cortex -M7处理器，具有强大的图像处理能力，可以通过连接 USB 电脑进行编程和调试，也可以独立运行，支持多种图像处理算法和功能。

综上以上种方案，选择方案二。

1.3、二维电动云台模块的论证与选择

方案一：

采用带步进电机驱动器，步进电机在低转速运行的时候容易发生异常抖动，步进电机是开关控制，高转速运行时转矩损失大，这对步进电机的使用产生了很大的影响。其次步进电机以及步进电机驱动器的体积较大，不利于小型二维电动云台的设计。此外，步进电机抖动对云台和OpenMV摄取图像、路径识别以及处理造成不必要的误差。

方案二：

采用舵机的二维电动云台，舵机的优势在于结构紧凑、性价比高、使用方便、位置精度、云台的转向与转速容易控制，并且可控制速度范围较大，角度可以保持在驱动当中，稳定性好，还能利用PID算法对速度实现闭环控制。

综合以上种方案，选择方案二。

1.4、声光提示的论证与选择

方案一：

采用无源蜂鸣器和LED，无源蜂鸣器则和电磁扬声器一样，需要接在音频输出电路中才能发声,内部驱动电路并且不需要提供直流电源，使其工作为方波驱动，如果给该更名器直流信号它将不会工作，需要对其进行程序编程才可工作，操作起来较为复杂。

方案二：

采用有源蜂鸣器和LED形成声光提示，有源蜂鸣器带震荡源直接接上额定电源就可连续发声而且程序控制方便，信号端输入高电平即可。经测试，输入2.6V以上电压可让蜂鸣器和LED同时指示实现连续声光提示。

（1）摄像头的OV7725部分硬件连接图

(2)系统电路原理图理

3.3、电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供

3.3V或者

5V电压，确保电路的正常稳定工作。

3.4、程序结构与设计

本系统开始时先对相应的硬件进行初始化、开启定时器中断、同时在主函数当中调用、OpenMV4连接电脑显示相关参数，同时调用摄像头函数采用二值化处理得到A4靶纸和红激光笔的信息，根据得到的相关数据并通过舵机控制两个云台的转动对应处理相关的任务；在定时器中断服务函数中，调用任务处理函数，这样可以保证系统具有较高的实时性。

四、测试方案与测试结果

1. 硬件测试：测试机械部分能否正常工作，各项参数是否准确。同时，检查电路焊接是否正确，各部分接线是否正确。  
2. 程序测试：用keil5、OpenMV IDE软件编程并通过单片机多次运行调试。  

  （1）基本要求的测试

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。

图1 基础部分1测试结果

   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。

图2 基础部分2测试结果

       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。

图3 基础部分3测试结果

     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）。

图4 基础部分4测试结果

（2）发挥部分的测试

    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。

图5 发挥部分1测试结果

综上所述，本设计基本达到设计要求。