1、 TI杯比賽論文主題：激光槍自動射擊裝置（主題E） 摘 要：為滿足激光槍自動射擊裝置的設計要求，設計了基于單片機的控制系統(tǒng)和算法。首先對各單元的電路方案進行對比論證，確定硬件設計方案。激光槍自動射擊裝置采用攝像頭識別激光槍落點，以基于Cortex-M4內核的單片機MK60DN512ZVLQ104作為控制核心。該芯片具有主頻高、存儲空間大、芯片資源豐富等特點。激光筆的精確控制是通過舵機和PID控制算法實現(xiàn)的。系統(tǒng)顯示單元選用圖形點陣高速LCD12864，通過串行數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)系統(tǒng)調試。實際測試表明，所采用的設計方案先進有效，完全滿足設計要求。關鍵詞：自動射擊，相機，舵機1、系統(tǒng)方案設計與論證1.1

2、 系統(tǒng)總體框架整個系統(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：采用組委會提供的基于MSP430單片機的LaunchPad開發(fā)板。雖然它具有低功耗、高可靠性、低成本等優(yōu)點，但結合本課題的實際情況，還是需要選擇頻率高、RAM大的單片機來采集和存儲圖像。方案二：MK60DN512是一款功能強大的32位ARM，512K RAM，可以滿足我們視頻采集的實時性和準確性。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備的動作。(2) 激光筆控

3、制方案方案一：通過步進電機細分控制調整激光筆的角度。雖然可以精確控制電機，但考慮到步進電機體積龐大，需要驅動電路復雜。控制程序，所以放棄這個方案。方案二：舵機用于控制激光的指向。與步進電機相比，舵機具有控制程序簡單、無需驅動電路等優(yōu)點。雖然有一定的死區(qū)精度，但低于細分控制的步進電機，但經分析，本題胸環(huán)目標較大，舵機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，使用多個傳感器無法實現(xiàn)子功能。因此，該方案被放棄。方案二：只用攝像頭實時采集胸環(huán)目標圖像。該方案具有分辨率精度高、良好的實時性能等。因此，最終采

4、用了這個方案。(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，不能實現(xiàn)整幅圖像的實時更新。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，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。在實際使用中可以實現(xiàn)采集圖像的實時同步顯示。因此，決定選擇第二個選項。1.3 方案說明根據(jù)以上各部分的對比結果，確定以MSP430單片機為核心，MK60DN512用于圖像采集處理，舵機用于控制激光指針方向，攝像頭用于采集激光位置點在胸環(huán)目標上，LCD12864最終顯示，采用ISD1730語音芯片播

5、報環(huán)號作為落點位置。2 理論分析與計算2.1 彈點檢測原理分析計算對于彈點位置的獲取，我們對攝像頭獲取的圖像進行校正和分析。通過找到最亮的點來標記撞擊點的位置。有一個相機距離胸環(huán)目標較遠，目標環(huán)較薄。難以識別，因此無法識別目標環(huán)。通過計算落點到靶心的距離，可以判斷落點環(huán)的數(shù)量。2.2 激光槍自動控制原理分析計算在該方案中，使用兩個執(zhí)行器來控制激光筆的角度，一個控制水平角，另一個控制垂直角。最后，彈點在胸環(huán)目標上的自由移動是由激光筆控制的。對于彈點位置的獲取，我們對攝像頭獲取的圖像進行校正和分析。通過找到最亮的點來校準撞擊點的位置。有一個相機距離胸環(huán)目標較遠，目標環(huán)較薄。難以識別，因此無法識別目

6、標環(huán)。通過計算落點到靶心的距離，可以判斷落點環(huán)的數(shù)量。在標記靶心并確定撞擊點之后。你可以給目標上的任意坐標，當它通過PID調整時，撞擊點將首先跟蹤給定的點。給定橫向舵機擺角=KP1*（目標點橫坐標-當前撞擊點橫坐標）縱向舵機擺角給定=KP2*（目標點縱坐標-當前沖擊點縱坐標）3 電路及程序設計3.1 電路設計3.1.1 電源模塊鎳鉻電池用于為整個系統(tǒng)供電。電源通過TI公司的LM2940調節(jié)為5V和3.3V，供外圍電路配合單片機使用。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由TI公司的LM1881分離為奇偶場同步信號和復合同步信號，由單片機采集，用于同步場中

7、斷和行中斷。為獲取視頻信號做準備。視頻采集模塊的電路原理圖如設計圖所示。圖 3.2 硬件二值化電路3.1.3 動態(tài)鏡像閾值電路設計視頻信號由PNP三極管8550反相，反相后的視頻信號通過集電極電位器調節(jié)到合適的電位。視頻信號和反相視頻信號同時連接到TI公司LM393比較器的兩個輸入引腳，反相視頻信號作為參考電壓。比較器的輸出是二進制視頻信號。動態(tài)鏡像閾值電路原理設計圖如圖3.6所示。圖 3.3 動態(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接口、撥碼開關、按

8、鍵、LCD等接口電路都很常見，這里就不一一介紹了。3.2 軟件設計軟件采用C語言開發(fā)，在IAR環(huán)境下調試和實現(xiàn)。主程序流程如圖7所示。進入主程序并初始化后，判斷dip開關鍵值并執(zhí)行相應程序。軟件設計采用模塊化結構，便于功能分析和實現(xiàn)。采用模塊化編程方便調試和繼承，利用狀態(tài)機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，軟件調試完成后，我們對系統(tǒng)進行了實際測試。數(shù)據(jù)分別見表1-表3。目標測試：測試時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 報告目標測試結果。方位角測試：測試時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 方位角測試結果自動目標測試：測試時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環(huán)號左上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 自動目