2023年全国大学生电子设计竞赛E题-国一等奖

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本系统以STC32G12K128单片机为控制核心，采用K210和OPENMV对激光点和A4纸黑框的坐标进行识别，将位置偏差变换至STC32片内PWM输出，控制舵机云台转动，从而设计并实现了一种闭环运动目标控制和自动追踪系统。采用PID对视觉模块测得坐标进行计算，并使用滤波算法对测得多次结果进行滤波处理，使得结果更加稳定，根据计算得到传输给舵机的PWM占空比值，并且再测量激光坐标来实现闭环。实验结果表明，我们的系统能很好的实现闭环的运动目标控制和自动追踪系统。

根据题目要求，本系统主要由运动目标控制系统和自动追踪系统构成。系统总体思维导图和系统工作流程图如图1-1、图1-2所示。

图 1-1  整体系统思维导图

该项目采用 K210 处理器作为图像处理核心，STC32G12K128作为主控芯片，旨在实现一个多功能运动控制系统。主要功能包括任务切换和外设接口、二维舵机云台控制、PID结果处理、上位机通信、下位机运动解算、滤波算法、相机标定与矫正、激光点和A4黑框的识别、传统计算机视觉识别、插补算法以及运动精度优化等。

K210 处理器负责图像处理部分，通过相机标定与矫正获取准确的图像数据，利用滤波算法减少噪声干扰，实现激光点和A4黑框的识别。传统计算机视觉识别算法能够对目标进行边缘检测、特征提取等处理，实现目标的识别和追踪。

STC32G12K128 主控芯片负责整个系统的控制与运动解算。运用PID控制算法处理传感器反馈结果，实现二维舵机云台在水平和垂直方向上的精准运动控制。系统通过上位机通信与外部设备进行交互，实现数据传输与任务切换。在舵机运动中，采用插补算法对离散控制信号进行平滑处理，保证运动连续性。

为提高运动步进精确性，系统还采用error值累加的方法，不断发送微调转角指令，优化运动精度。同时，中断机制的设计使任务切换更加灵活和高效，系统能够快速响应不同任务要求。

整合 K210 处理器和 STC32G12K128主控芯片，该多功能运动控制系统将具备自动跟踪激光的功能。

图 1-2  系统工作流程图

3.2.1舵机控制角度范围计算

舵机的角度范围为0°到180°，要根据激光笔的位置信息来计算舵机应该转动的角度，使其能够对准目标物体。由于舵机需要能够将光斑移动到屏幕的任意位置，所以在此我们作简单计算。如图3-1所示，图中，舵机的航向角为file:///C:/Users/CXY/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.png，俯仰角为file:///C:/Users/CXY/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.png，舵机水平时的高度为h。依据题目要求，云台距离0.5m*0.5m的屏幕为1m，那么在此为了简便计算，按照舵机高度h为0.5m，同时放置在屏幕中线上。

那么，即舵机水平和竖直最大转角为28°。

图 3-1 结构说明图

3.2.2 舵机转动精度计算

        舵机的转动精度需要达到小于1°的误差，取决于控制信号的分辨率。舵机的控制信号是通过脉冲宽度调制（PWM）来实现的。

舵机控制信号周期为20ms，高电平周期为0.5ms~2.5ms，其中0.5ms对应最小角度，2.5ms对应最大角度。由上述的计算确定转角的大致范围为28°，我们以90°为水平时的状态，因此，舵机角度范围为76°~114°。以此计算出高电平周期为1.33ms~1.67ms，将舵机的角度范围等分为控制信号的脉冲宽度区间，通过调整脉冲宽度来控制舵机转动到特定角度，即每个脉冲宽度所对应的角度差。以实现舵机转动到目标位置的精确控制。

.1.电路设计

本系统的电路设计如下图4-1所示：

图4-1  系统电路设计图

电路由K210主控、STC32G12K128单片机、稳压板、二维舵机云台、按键和锂电池组成。

系统将STC32G12K128和K210硬件进行连接，并在系统复位后，使红色光斑返回原点（屏幕中心）。通过按键实现以下功能：

1.按下按键1时，红色光斑将按照预定的路径绕着框移动。如果按下暂停键，则红色光斑停止移动。

2.按下按键2时，K210将识别背景中黑色矩形的边缘区域，并利用直线插补算法和PID算法对其进行处理。然后通过反馈控制主控舵机，移动云台以达到目标点。

3.按下按键3时，K210将基于PID算法对红色光斑的坐标进行处理，并通过串口发送给主控。主控根据接收到的坐标信息来控制PWM的占空比，以控制舵机实现追踪红色光斑的定位，并通过声音和光线发出提示信号。

通过以上设计，可以实现所需的功能目标。