2023年电子设计大赛激光笔平台控制

VISION PID CONTROL

把光斑位置误差变成双轴云台动作

OpenMV 检测屏幕边界与目标光斑，PID 根据二维误差持续修正两台步进电机。

≤2 cm复位误差

≤3 cm追踪距离

<2 s目标追踪

01 CAPTURE OpenMV 图像

02 DETECT 红色光斑

03 ERROR 二维偏差

04 PID 控制输出

05 MOTOR 双轴云台

OpenMV

Blob Detect

Stepper X

Stepper Y

COREPID

DESIGN DECISION

两套系统，视觉闭环

红色目标控制与绿色追踪系统物理独立。追踪端只能通过摄像头观察目标，再根据画面误差调整云台，满足禁止通信的约束。

OpenMVMicroPythonPIDStepper Motor

CAPABILITIES

满分任务

01一键复位

02边框循迹

03旋转靶纸

04自动追踪

项目背景

2023年大学生电子设计大赛是国赛，先省内选拔，优胜者可被推荐参加国赛。

比赛要求公布题目后在5天内根据题目要求开发出相应的电子系统并进行演示。

控制题赛道题目｜运动目标控制与自动追踪系统（E题）

一、任务

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。

图1运动目标控制与自动追踪系统结构示意及摆放位置图

红色激光笔发射的光斑用来模拟运动目标，光斑落在正前方距离1m 处的白色屏幕上，光斑直径≤1cm。红色光斑位置控制系统控制光斑能在屏幕范围内任意移动。

绿色激光笔发射的光斑由绿色光斑位置系统控制，用于自动追踪屏幕上的红色光斑，指示目标的自动追踪效果，光斑直径≤1cm。绿色激光笔放置线段如图1（b）所示，该线段与屏幕平行，位于红色激光笔两侧，距红色激光笔距离大于0.4m、小于 1m。绿色激光笔在两个放置线段上任意放置。

屏幕为白色，有效面积大于 0.6x0.6平方米。用铅笔在屏幕中心画出一个边长0.5m 的正方形，标识屏幕的边线；所画的正方形的中心为原点，用铅笔画出原点位置，所用铅笔痕迹宽≤1mm。

二、要求

1. 基本要求

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。
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。
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。
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）。

2. 发挥部分

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。
运动目标重复基本要求（3）~（4）的动作。绿色激光笔发射端可以放置在其放置线段的任意位置，同时启动运动目标及自动追踪系统，绿色光斑能自动追踪红色光斑。启动系统2秒后，应追踪成功，发出连续声光提示。此后，追踪过程中两个光斑中心距离大于 3cm 时，定义为追踪失败，一次扣2分。连续追踪失败3秒以上记为0分。运动目标控制系统和自动追踪系统均需设置暂停键。同时按下暂停键，红色和绿色光斑应立即制动，以便测量两个光斑中心距离。
其他。

三、说明

红色、绿色光斑位置控制系统必须相互独立，之间不得有任何方式通信；光斑直径小于 1cm；屏幕上无任何电子元件；控制系统不能采用台式计算机或笔记本电脑。不符合要求不进行测试。
基本要求（3）、（4）未得分不进行发挥部分（2）的测试。

评分标准

项目介绍

硬件设计

我们的思路是用两台步进电机分别控制激光笔的水平和垂直转动，通过调节电机的转动角度来控制激光笔发射光斑的位置。

通过制作一个按钮板，用于控制信号的输入，包括启动、复位和暂停等功能按钮。

控制系统设计

设备选用了集成了视觉算法的OpenMV作为控制核心

为了实现目标追踪功能，我们使用了OpenMV摄像头来捕捉屏幕上的红色光斑位置，并通过图像处理算法计算出光斑的坐标，从而调整绿色激光笔的位置以实现追踪。

程序设计

OpenMV开发是基于Python语言的，我们编写了两个独立的程序，分别运行在红色光斑控制系统和绿色光斑追踪系统上。

# 红色光斑控制系统程序片段
# 获取矩形的四个点
def get_our_rect_final_pro(a, b, c, d):

    corner = [a, b, c, d]

    img.draw_circle(a[0], a[1], 5, color = (0, 255, 255),   thickness = 2, fill = False)
    img.draw_circle(b[0], b[1], 5, color = (255, 0, 255),   thickness = 2, fill = False)
    img.draw_circle(c[0], c[1], 5, color = (0, 0, 0),       thickness = 2, fill = False)
    img.draw_circle(d[0], d[1], 5, color = (255, 255, 255), thickness = 2, fill = False)

    heighest_y = min(a[1], b[1], c[1], d[1])

    ... # 还有一大堆