電子設(shè)計(jì)大賽控制組激光打靶

1、 TI杯比賽論文主題：激光槍自動(dòng)射擊裝置（主題E） 摘 要：為滿足激光槍自動(dòng)射擊裝置的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)和算法。首先對(duì)各單元的電路方案進(jìn)行對(duì)比論證，確定硬件設(shè)計(jì)方案。激光槍自動(dòng)射擊裝置采用攝像頭識(shí)別激光槍落點(diǎn)，以基于Cortex-M4內(nèi)核的單片機(jī)MK60DN512ZVLQ104作為控制核心。該芯片具有主頻高、存儲(chǔ)空間大、芯片資源豐富等特點(diǎn)。激光筆的精確控制是通過舵機(jī)和PID控制算法實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)顯示單元選用圖形點(diǎn)陣高速LCD12864，通過串行數(shù)據(jù)通訊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試。實(shí)際測試表明，所采用的設(shè)計(jì)方案先進(jìn)有效，完全滿足設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：自動(dòng)射擊，相機(jī)，舵機(jī)1、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證1.1

2、 系統(tǒng)總體框架整個(gè)系統(tǒng)主要分為處理器模塊、視頻采集模塊、MSP430處理模塊、激光筆控制模塊和液晶顯示模塊。各模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖 1.1 系統(tǒng)模塊框圖1.2 方案論證與比較(1) 控制模塊方案一：采用組委會(huì)提供的基于MSP430單片機(jī)的LaunchPad開發(fā)板。雖然它具有低功耗、高可靠性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)合本課題的實(shí)際情況，還是需要選擇頻率高、RAM大的單片機(jī)來采集和存儲(chǔ)圖像。方案二：MK60DN512是一款功能強(qiáng)大的32位ARM，512K RAM，可以滿足我們視頻采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。簡單、可靠、低功耗的 MSP430 微處理器用于控制激光筆和其他外圍設(shè)備的動(dòng)作。(2) 激光筆控

3、制方案方案一：通過步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制調(diào)整激光筆的角度。雖然可以精確控制電機(jī)，但考慮到步進(jìn)電機(jī)體積龐大，需要驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜?？刂瞥绦颍苑艞夁@個(gè)方案。方案二：舵機(jī)用于控制激光的指向。與步進(jìn)電機(jī)相比，舵機(jī)具有控制程序簡單、無需驅(qū)動(dòng)電路等優(yōu)點(diǎn)。雖然有一定的死區(qū)精度，但低于細(xì)分控制的步進(jìn)電機(jī)，但經(jīng)分析，本題胸環(huán)目標(biāo)較大，舵機(jī)控制精度完全滿足本題要求.基于以上理論分析，我們選擇第二種方案。(3) 落點(diǎn)的獲取方案一：采用紅外傳感器。由于紅外傳感器的分辨能力非常有限，使用多個(gè)傳感器無法實(shí)現(xiàn)子功能。因此，該方案被放棄。方案二：只用攝像頭實(shí)時(shí)采集胸環(huán)目標(biāo)圖像。該方案具有分辨率精度高、良好的實(shí)時(shí)性能等。因此，最終采

4、用了這個(gè)方案。(4) 顯示系統(tǒng)方案方案一：用普通LCD12864顯示。這種液晶雖然可以滿足本題的要求，但是刷新速度低，不能實(shí)現(xiàn)整幅圖像的實(shí)時(shí)更新。方案二：采用高速LCD液晶顯示。 Sub-LCD具有明顯的優(yōu)勢：顯示速度極快、功耗低、顯示信息量大、字跡清晰、外形美觀、視覺舒適，使整個(gè)控制系統(tǒng)更加人性化。在實(shí)際使用中可以實(shí)現(xiàn)采集圖像的實(shí)時(shí)同步顯示。因此，決定選擇第二個(gè)選項(xiàng)。1.3 方案說明根據(jù)以上各部分的對(duì)比結(jié)果，確定以MSP430單片機(jī)為核心，MK60DN512用于圖像采集處理，舵機(jī)用于控制激光指針方向，攝像頭用于采集激光位置點(diǎn)在胸環(huán)目標(biāo)上，LCD12864最終顯示，采用ISD1730語音芯片播

5、報(bào)環(huán)號(hào)作為落點(diǎn)位置。2 理論分析與計(jì)算2.1 彈點(diǎn)檢測原理分析計(jì)算對(duì)于彈點(diǎn)位置的獲取，我們對(duì)攝像頭獲取的圖像進(jìn)行校正和分析。通過找到最亮的點(diǎn)來標(biāo)記撞擊點(diǎn)的位置。有一個(gè)相機(jī)距離胸環(huán)目標(biāo)較遠(yuǎn)，目標(biāo)環(huán)較薄。難以識(shí)別，因此無法識(shí)別目標(biāo)環(huán)。通過計(jì)算落點(diǎn)到靶心的距離，可以判斷落點(diǎn)環(huán)的數(shù)量。2.2 激光槍自動(dòng)控制原理分析計(jì)算在該方案中，使用兩個(gè)執(zhí)行器來控制激光筆的角度，一個(gè)控制水平角，另一個(gè)控制垂直角。最后，彈點(diǎn)在胸環(huán)目標(biāo)上的自由移動(dòng)是由激光筆控制的。對(duì)于彈點(diǎn)位置的獲取，我們對(duì)攝像頭獲取的圖像進(jìn)行校正和分析。通過找到最亮的點(diǎn)來校準(zhǔn)撞擊點(diǎn)的位置。有一個(gè)相機(jī)距離胸環(huán)目標(biāo)較遠(yuǎn)，目標(biāo)環(huán)較薄。難以識(shí)別，因此無法識(shí)別目

6、標(biāo)環(huán)。通過計(jì)算落點(diǎn)到靶心的距離，可以判斷落點(diǎn)環(huán)的數(shù)量。在標(biāo)記靶心并確定撞擊點(diǎn)之后。你可以給目標(biāo)上的任意坐標(biāo)，當(dāng)它通過PID調(diào)整時(shí)，撞擊點(diǎn)將首先跟蹤給定的點(diǎn)。給定橫向舵機(jī)擺角=KP1*（目標(biāo)點(diǎn)橫坐標(biāo)-當(dāng)前撞擊點(diǎn)橫坐標(biāo)）縱向舵機(jī)擺角給定=KP2*（目標(biāo)點(diǎn)縱坐標(biāo)-當(dāng)前沖擊點(diǎn)縱坐標(biāo)）3 電路及程序設(shè)計(jì)3.1 電路設(shè)計(jì)3.1.1 電源模塊鎳鉻電池用于為整個(gè)系統(tǒng)供電。電源通過TI公司的LM2940調(diào)節(jié)為5V和3.3V，供外圍電路配合單片機(jī)使用。如下示意圖所示：圖 3.1 電源模塊示意圖3.1.2 視頻分離電路部分視頻信號(hào)由TI公司的LM1881分離為奇偶場同步信號(hào)和復(fù)合同步信號(hào)，由單片機(jī)采集，用于同步場中

7、斷和行中斷。為獲取視頻信號(hào)做準(zhǔn)備。視頻采集模塊的電路原理圖如設(shè)計(jì)圖所示。圖 3.2 硬件二值化電路3.1.3 動(dòng)態(tài)鏡像閾值電路設(shè)計(jì)視頻信號(hào)由PNP三極管8550反相，反相后的視頻信號(hào)通過集電極電位器調(diào)節(jié)到合適的電位。視頻信號(hào)和反相視頻信號(hào)同時(shí)連接到TI公司LM393比較器的兩個(gè)輸入引腳，反相視頻信號(hào)作為參考電壓。比較器的輸出是二進(jìn)制視頻信號(hào)。動(dòng)態(tài)鏡像閾值電路原理設(shè)計(jì)圖如圖3.6所示。圖 3.3 動(dòng)態(tài)鏡像閾值電路示意圖3.1.4 語音模塊語音模塊采用ISD1730集成語音芯片，通過SPI接口與MCU通訊，實(shí)現(xiàn)程控播放。如下圖所示：圖 3.4 語音模塊電路原理圖由于其他模塊如舵機(jī)接口、撥碼開關(guān)、按

8、鍵、LCD等接口電路都很常見，這里就不一一介紹了。3.2 軟件設(shè)計(jì)軟件采用C語言開發(fā)，在IAR環(huán)境下調(diào)試和實(shí)現(xiàn)。主程序流程如圖7所示。進(jìn)入主程序并初始化后，判斷dip開關(guān)鍵值并執(zhí)行相應(yīng)程序。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于功能分析和實(shí)現(xiàn)。采用模塊化編程方便調(diào)試和繼承，利用狀態(tài)機(jī)切換程序中的各種功能，大大提高了程序的整體執(zhí)行效率和代碼的可靠性。程序框圖如下：圖 3.4 程序流程圖4.系統(tǒng)測量系統(tǒng)各部分硬件搭建完成，軟件調(diào)試完成后，我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試。數(shù)據(jù)分別見表1-表3。目標(biāo)測試：測試時(shí)間第一次第二第三次第四次第五次第六次第七次第八次第九實(shí)際環(huán)數(shù)4環(huán)5環(huán)6環(huán)7環(huán)8環(huán)9環(huán)9環(huán)10環(huán)10環(huán)測量環(huán)數(shù)4環(huán)5環(huán)6環(huán)7環(huán)8環(huán)9環(huán)9環(huán)10環(huán)10環(huán)表 1 報(bào)告目標(biāo)測試結(jié)果。方位角測試：測試時(shí)間第一次第二第三次第四次第五次第六次第七次第八次實(shí)際軸承正義右上方正義右下正夏左下角正三左上方位角測量正義右上方正義右下正夏左下角正三左上表2 方位角測試結(jié)果自動(dòng)目標(biāo)測試：測試時(shí)間第一次第二第三次第四次第五次第六次第七次第八次目標(biāo)環(huán)號(hào)左上4環(huán)右上方5環(huán)正義6環(huán)正夏7環(huán)正義8環(huán)正三9環(huán)左下角9環(huán)中間10環(huán)實(shí)際環(huán)數(shù)左上4環(huán)右上方5環(huán)正義6環(huán)正夏7環(huán)正義8環(huán)正三9環(huán)左下角9環(huán)中間10環(huán)表 3 自動(dòng)目