2023年电子设计竞赛报告

简介：
本报告详述了2023年度电子设计竞赛的各项关键环节与创新成果，汇集参赛队伍的设计理念、技术应用及评审专家的专业点评。 本段落将详细解析“2023年全国大学生电子设计竞赛运动目标控制与自动追踪系统（E题）”的相关知识点。 ### 一、引言 本设计报告介绍了一个基于STM32F103单片机的运动目标控制与自动追踪系统。该系统能够实现对运动目标的自动追踪，主要依靠STM32F103单片机、DS3115舵机二维云台、稳压模块以及OPENMV4H7R2视觉模块等硬件组件。通过这些硬件的协同工作，系统能够精确地控制云台的转动，从而实现对目标的有效追踪。 ### 二、系统方案 #### 2.1 整体设计方案 本设计考虑了两种不同的方案： - **方案一**：利用视觉模块识别原点及边框线来控制云台转向，实现基本功能；通过图形识别计算出边框坐标，控制云台到达指定坐标点。 - **方案二**：采用STM32单片机输出PWM波控制云台，实现复位与激光笔循线功能；通过视觉模块获取目标坐标信息，再由STM32控制云台移动。 本设计最终选择了方案二，原因在于方案二更为稳定且易于实现。具体来说，方案一中摄像头循迹过程中目标坐标不断变化，这为openmv模块控制云台带来了挑战。而在方案二中，通过STM32精确控制云台的角度，可以更稳定地实现目标追踪。 #### 2.2 器件选型 - **STM32F103单片机**：作为系统的主控制器，负责整个系统的逻辑控制。 - **DS3115舵机**：用于构建二维云台，实现云台的多维度转动。 - **OPENMV4H7R2视觉模块**：提供图像识别功能，是实现目标追踪的关键部件。 - **ST90S舵机**：配合openmv模块使用，实现更精细的云台调整。 ### 三、理论分析与计算 为了实现精准的目标追踪，系统采用了PID算法来控制舵机的转动。PID算法由比例(P)、积分(I)、微分(D)三个环节组成： - **比例环节**：根据偏差的比例值进行调节，能够实现快速响应。 - **积分环节**：消除稳态误差，使得系统能够在长时间内保持稳定。 - **微分环节**：预测偏差的变化趋势，减少超调量，提高系统的动态性能。 通过合理设置PID参数，可以有效地提高系统的响应速度和精度。 ### 四、电路与程序设计 #### 4.1 硬件电路设计 - **STM32F103单片机**：通过GPIO端口输出PWM信号控制舵机的转动。 - **舵机云台**：接收PWM信号，实现云台的旋转。 - **OPENMV视觉模块**：连接至STM32的串行通信接口，发送识别结果给主控制器。 #### 4.2 软件设计流程图 软件设计主要包括以下几个步骤： 1. 初始化STM32单片机。 2. 设置PWM输出，控制舵机转动。 3. 通过OPENMV视觉模块识别目标。 4. 根据识别结果，利用PID算法计算舵机的控制信号。 5. 更新舵机的位置，循环执行直到完成目标追踪任务。 ### 五、系统测试 #### 5.1 测试仪器及测试方法 测试仪器包括示波器、电流表等，主要用于监测PWM信号的质量以及舵机的工作状态。测试方法主要是模拟不同场景下的目标追踪过程，观察系统的响应速度和准确性。 #### 5.2 测试过程数据记录 通过对不同距离、不同角度的目标进行追踪测试，记录下舵机的响应时间、追踪误差等关键指标，以便后续分析和优化。 #### 5.3 结果分析 通过对测试数据的分析，评估系统在不同条件下的表现，找出存在的问题并进行改进。 ### 六、总结 本设计成功实现了基于STM32F103单片机的运动目标控制与自动追踪系统。通过精心设计的硬件电路和软件算法，系统能够有效地追踪运动中的目标，展现出良好的稳定性和精度。未来可以通过进一步优化PID算法、提升视觉识别精度等方式，继续提高系统的性能。