四川省电子设计大赛控制组E题设计报告.docx
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四川省电子设计大赛控制组E题设计报告
2012年四川省TI杯电子设计大赛
激光枪自动射击装置
技术报告
学校西南民族大学
指导老师汪华章
参赛学生潘增江
张伟
龙凡
日期2012-8-5日到2012-8-7日
目录
一、设计方案要求3
1.1摘要3
1.2设计要求3
二、方案比较论证3
2.1显示器选择3
2.2控制器选择4
2.3激光枪选择4
2.4激光枪控制电机选择...........................................4
2.5摄像头选择...................................................5
三、理论分析与计算5
3.1激光枪自动控制原理分析5
3.2弹着点检测原理分析与计算5
四、硬件系统构建与设计论证8
4.1系统整体流程8
4.2摄像头硬件原理设计8
4.3激光枪硬件远离设计...........................................9
4.4电源模块硬件设计............................................10
五、测试方案与测试结果10
5.1测试仪时所用器件10
5.2单片机PWM波占空比与激光笔转动角度之间的关系11
5.3光斑形状测量法12
5.4不同光斑形状对测量效果的影响13
5.5不同的阈值取值方式对图像清晰度的影响14
5.6实验中弹着点环数测试14
5.7实验中弹着点区域测试19
5.8液晶屏显示靶环图测试21
5.9自动瞄准把心测试21
5.10任意环数设定打靶测试22
六、软件流程图23
七、参赛总结24
八、参考文献25
九、附录25
9.1图像处理部分源程序25
一、设计方案要求
1.1摘要
本设计利用二维内位置、发射功率与可调的激光发射头,胸环靶,K60-32位单片机,1.77寸TFT(彩色液晶显示器),由键盘输入改变激光枪弹着点位置、利用CMOS模拟摄像头识别弹着点在胸环靶上的位置及方位信息、并利用TFT显示胸环靶的相应图形和闪烁显示弹着点的自动控制装置。
单片机对激光枪实现位置及发出功率的调整、对摄像头采集的图像数据进行存储和在TFT上进行动态显示,达到了光斑在靶纸的直径小于5mm的要求,可通过键盘控制激光枪的弹着点在靶纸上左右、上下移动一定距离,通过摄像头可识别激光枪投射在胸环靶上弹着点光斑所处的区域和环数等,从而达到设计要求。
1.2设计要求
激光束照射于胸环靶上弹着点的光斑直径小于5mm。
在实验中:
激光头发射出来的光斑并不是圆形,而是大致成长方形;光斑也不是完全凝聚,光斑从中心到边沿亮度逐渐减弱。
实际处理过程中,忽略了光斑的形状,用最小圆将光斑进行包裹,得到的圆的直径小于5mm,最终不规则图形的处理满足了原5mm直径光斑圆的要求。
二.方案比较论证
2.1显示器选择
方案一:
LCD1602。
LCD1602能显示英文字母和数字,但不能显示汉字、图片和曲线;并且采用并口传输数据,占用I/O口过多,不能达到节约数据口的目的。
方案二:
LCD12864。
它有128*64个点,能清晰的显示分辨率小于128*64的图片;并且采用不断刷新显示的方式还能简单的在1S内显示10静态图片,但因为在动态图片显示程序中由于要不断的调用写命令函数和写数据函数,且函数调用时间较长,造成图片刷新频率过低而无法清晰的动态显示。
方案三:
彩色TFT液晶显示屏。
在实验中我们采用了1.77寸TFT,其分辨率达到128xBGRx160,显示图片清晰;图片刷新频率高,在实验中能实时的显示弹着点位置和闪烁图形;能工作在3.3V或5V、可工作在8位或16位数据接口且8位数据口能与12864接口兼容,故能在实验中直接在硬件上取代12864且与飞思卡尔K60方便连接;市场价格1.77寸TFT比12864便宜很多:
故我们选用了性价比更高的1.77寸TFT,也方便后续在动态图片显示上的扩展。
通过对上面三种方案的综合对比,我们采用了1.77寸TFT作为我们的显示器件。
2.2控制器选择
我们选择了飞思卡尔K60单片机。
2.3激光枪选择
方案一:
市售激光笔。
已加工成型,不利于二次加工安装。
方案二:
激光头。
方便安装, 并能进行二次设计以调整其位置和发射功率。
通过对上述两种方案的对比,最终我们选择了激光头作为我们的激光枪。
2.4激光枪位置控制电机
激光到靶的距离是300cm,靶最大半径为30cm,则激光笔从中心到靶最大半径(最大转角)为5.677度,最小转角为0.955度。
我们提出了以下几种可供选择的方案。
方案一:
直流电机。
在单独使用时不能完成对位置的准确控制,其启动和停止都较难控制而且容易产生误差,所以为了激光笔移动很小,不至于步进大于0.95度,则需加上减速齿轮,通过实验选择适当的减速比可以实现,但附加传感器电路会使电路和程序复杂、增加系统功耗、增加错误出现概率。
方案二:
步进电机。
动作、位置控制精确,但是在负载较大造成转动惯量较大、起始驱动频率过高过低时会出现丢步或者越步,造成控制过程复杂和增加错误出现概率;若采用减速步进电机,又增加了轮轴减速装置,机械转动会产生误差。
方案三:
舵机。
舵机的角度输出与脉宽输入一一对应,使的舵机角度输出非常精确,在试验中能准确控制激光头在二维内转动,并减少了软件PID程序的编写难度,并且我们实验所用的舵机步进角度完全能达到我们要求的0.955度的要求。
通过上述论证,我们选择了方案三。
2.5摄像头选择
方案一:
CCD摄像头。
CCD摄像头能充分保持信号传输时不失真,保持资料的完整性。
CCD摄像头虽然可以提供优异的影像品质,但是付出代价即是较高的电源消耗量,增加了系统功耗。
方案二:
CMOS摄像头。
CMOS摄像头虽然信号在传输时会出现一定的信号失真,但MOS摄像头可以将每一画素的电荷转换成电压,可将ADC与讯号处理器整合在一起,使体积大幅度缩小,而CCD摄像头缩小体积低降低功耗是很相对比较难的。
最后,我们选择了价格较低的CMOS模拟摄像头,各项数据能满足我们的图像要求。
三.理论分析与计算
3.1激光枪自动控制原理分析与计算
激光枪在二维内的运动由两个上下连接的舵机完成,当对舵机输入的PWM波占空比进行改变时,两个舵机分别控制弹着点在胸环靶X和Y方向上运动。
实际测试中激光头到靶心的距离是3m,靶盘最大半径为30cm,则激光笔的最大转角为
度,最小转角至少为
度。
3.2弹着点检测原理分析与计算
摄像头对胸环靶进行图像采集,摄像头转换输出与灰度值相对应的电压值,得到胸环靶图形灰度值参数,然后通过单片机进行二值化处理,进而得到图形参数表。
弹着点获得流程图,如下图图3.1所示:
考虑到图像背景序列基本处于静止,并且测量得到的当前帧图像与背景图对比明显,故采用背景差分分离法【1】获得弹着点位置;在获得二值化阈值的过程中采取了二分法【2】试探取阈值和统计灰度直方图法【3】,最后由统计灰度直方图法测得的目标点图在对目标点图像清晰度上基本没有改变,同时也因当前帧图像与背景图像对比明显,故选择了二分法;在背景图的获取过程中,采用了直接获取背景法和统计平均获取背景法,统计平均获取背景法能有效滤除随机坏点。
背景差分法:
利用当前图像与背景图像作差,经过阀值化,提取出动态或者差异目标。
此方法分四步:
1、建立背景模型,2、提取当前帧,3、作差分提取。
差分法提取公式
(1),此公式的结果是差分提取后的图像:
(1)
二值化处理方法公式
(2)
(2)
背景提取法:
直接获取背景法和统计平均获取背景法
直接背景获取法适用于提取视屏中没有任何运动目标的图像作为背景。
在实际过程中,摄像头总是会受到干扰而随机的出现一些干扰点,造成多次测量得到的背景图并不一样,采用多次测量统计求平均的方式滤除坏点。
统计平均法公式:
{
为统计平均结果}。
效果比较如下:
直接获取背景法获得的背景图,如下图3.2所示:
图3.2图3.3
多次测量统计求平均法获得的背景图,如上图3.3所示:
从以上图3.3和图3.2可以看出,统计平均法可以有效的滤除部分坏点,故采用统计平均法获取所需背景图。
二值化阀值选取
1、在实践中通过二分法试探获得二值化阀值【2】
2、统计灰度直方图法【3】
对采集到的背景图灰度值或视频信号输出电压进行统计,得到灰度值与该灰度值点数占整个屏幕点数的百分比的关系图,如下图3.4所示:
图3.4灰度值频率分布图
这样就减小了每次因为环境变化而产生的二值化阀值差异,能根据环境情况智能的进行阀值获取。
四.硬件系统构建与设计论证
4.1系统整体框图设计
系统整体框图如图4.1所示:
4.2摄像头硬件原理
实验用摄像头是模拟器件,且有数字和模拟两种输出,且输出易受干扰,因此对电源输入有较高的要求。
故采用如图4.2所示的电路:
利用电感抑制共模信号,并在模拟输入和数字输入端接低通滤波电路以减小干扰信号、减少输出杂波。
实验所用摄像头模块内置A/D转换,对电源输入精度要求较高,故利用高性能稳压芯片稳压,电路如图4.3所示:
图4.3电源稳压
4.3激光枪硬件原理
激光枪电路如图4.4所示,调节可调电阻可改变激光头发射功率。
上下两个舵机在二维内改变激光头位置,以改变光斑在胸环靶上的位置。
图4.4激光枪原理图
4.4电源模块
在实验中所用控制板集中了,K60单片机3.3V电源,摄像头12V电源,舵机6V电源,激光笔3.3V电源;且摄像头、舵机、激光笔对电压要求较高,故在电路中采用先6V电压稳压,再3.3V稳压,12V升压得到的电压很稳定。
电路如图4.5所示:
图4.5电源模块原理图
五.测试方法与结果完整性分析
5.1测式时所用器件
7.5m卷尺、坐标纸、三角板、万用表、数字示波器,秒表,卷尺用来测量激光头和摄像头与胸环靶之间的距离,直径5mm圆孔不透明纸板和三角板用测量光斑直径大小。
5.2单片机PWM波占空比与激光笔转动角度之间的关系
舵机接收从单片机发出的PWM波,不同占空比下PWM波驱动舵机转过不同的角度,舵机转动使得光斑在胸环靶上运动。
在实际测试中,光斑每移动一环,PWM占空比改变一定的值,统计光斑从靶心逐环向外移动至脱靶,记录每移动一环PMW波占空比的改变值。
以下两个数据统计表:
表_5.1、表_5.2均在激光束照射于胸环靶上弹着点的光斑直径小于5mm、激光枪与胸环靶间距离为3m的条件下测得。
表_5.1为从靶心在水平方向向右移动至脱靶。
表_5.1环位与占空比之间的关系
环位改变
占空比组
靶心→9环
9环→98环
8环→7环
7环→6环
6环→5环
5环→脱靶
占空比1
50
49
48
48
50
50
占空比2
50
52
53
52
50
49
平均值
50
51
51
50
50
50
表_5.2从靶心在竖直方向向右移动至脱靶
环位改变
占空比组
靶心→9环
9环→98环
8环→7环
7环→6环
6环→5环
5环→脱靶
占空比1
50
49
48
48
50
50
占空比2
50
52
53
52
50
49
平均值
50
51
51
50
50
50
故在光斑移动时,水平方向和竖直方向每移动一环均采用占空比比值改变50,同时还测得光斑移动每环需按键3次,每环距离5cm,计算得每次按键光斑移动距离约1.7cm。
如表_5.2所示:
左、右、上、下单次控制键盘弹着点距离的变化。
表_5.3单次按键方位改变值(单位:
cm)
测试次序
方位变化
第一次
第二次
第三次
第四次
第五次
平均值
(近似值)
向左
1.5
1.8
1.2
2.5
1.5
1.7
向右
2.5
2.0
1.0
1.5
2.5
1.7
向上
1.8
1.5
2.2
1.7
1.2
1.7
向下
1.6
2.0
1.5
1.5
1.3
1.7
由表_5.3数据得出,每次按键,使光斑在胸环靶上移动一次,每次移动的距离约为1.7cm,满足设计要求的5cm。
5.3光斑的形状测量方法
题目要求激光束照射于胸环靶上弹着点的光斑直径小于5mm,激光枪与胸环靶间距离为3m。
实验中采用直接测量法和直径5mm圆孔透光测量法两种方法进行测试,直接测量法即用三角板在靶纸上测量呈椭圆形光斑的长径大小;直径5mm圆孔透光测量法是用直径5mm的透光圆孔贴在靶纸上,观察光斑是否能完整的透过圆孔,是则用1代替,不是则用0代替。
表_5.4是在激光束照射于胸环靶上弹着点的光斑直径小于5mm、激光枪与胸环靶间距离为3m的条件下测得。
表_5.4两种光斑测量法
由表_5.4得,弹着点的直径为3.45mm,小于设计要求的5mm。
5.4不同的光斑形状对测量效果的影响(实际测试中光斑呈椭圆形)
测量数据如表_5.5所示:
表_5.5两种光斑形状测试
据表_5.5,实际的图像环位识别时,两种不同的光斑形状对测试结果基本没有影响,故可以忽略光斑的形状对环位读取的影响。
5.5不同的阈值取值方式对图像清晰度的影响
背景图与当前帧对比度明显,两种方式下获取的阀值相近,且图像清晰度没有明显的变化,但统计法获取阀值较智能,可升级为根据实际的光照情况智能获取阀值。
(二值化并作差之后应该是黑白二值图像,但是实验用屏幕为彩色,照相机拍摄之后背景图现蓝色),如下表
表_5.6两种阈值取值方式
从表_5.5中所呈现的图像清晰度及坏点数情况看,统计法获得阈值不能提高图像的清晰度,也没有减少图像的坏点数。
5.6实验中弹着点环数测试
图5.1胸环靶的象限方位
如上图5.1所示,显示胸环靶的象限方位信息;在程序处理过程中,首先确定中心点(靶环中心)为参考原点,然后将激光点坐标与参考点进行比较可判断出靶点位于哪一象限内,其次判断靶点的准确方位信息。
其程序处理流程如图5.2所示:
图5.2弹着点方位确认流程图
注解【1】:
由于四条区域分界线的角度已知,则其斜率可通过k=
求得,即
,
,
,
.
假设本次取得的靶点值位于第一象限,即x>0,y>0;在靶盘中,如果
那么此点位于这条线的右侧,即位于一区;如果
,那么可以通过判断
的大小来判断此点在第一象限的准确方位点。
其他象限同理可推导出。
注解【2】:
摄像头与胸环靶之间的夹角大小会导致图像产生压缩而失真,应采取补偿措施进行修复,实际测试过程中,我们的镜头从最开始的与胸环靶成一定的仰角到最后保持水平。
在测量中发现原本为圆形的图案在彩屏上却呈现为椭圆形,针对此问题我们采用了如下解决,对于不同的区域根据其畸变程度采取不同的补偿措施具体补偿线性比例系数为下表:
表_5.6方位失真线性补偿
方位
左/右
上/下
左上
左下
右上
右下
补偿线性系数
100/110
110/120
110/120
100/120
100/110
100/110
表_5.7未修正前测得的环数表
摄像头测辆环位大小
激光打靶环位
1
2
3
10环
中心
10
10
10
距靶心2—3cm
10
10
10
外环边界
10
9
10
9环
内环边界
10
9
9
距靶心7—8cm
9
9
9
外环边界
8
9
8
8环
内环边界
8
9
8
距靶心12—13cm
8
8
8
外环边界
7
8
7
7环
内环边界
7
7
7
距靶心17—18cm
7
7
7
外环边界
6
7
7
6环
内环边界
6
7
6
距靶心22—23cm
5
6
5
外环边界
5
5
6
5环
内环边界
6
6
5
距靶心27—28cm
5
5
5
外环边界
脱靶
5
5
据表_5.7中的统计结果,当光斑处于环线内外侧测试时,会在两个环值之间跳变,出现误差,而且越靠近图像外侧,出现误差的可能性越大;据实验实测和分析,得出是由于摄像头采集图像时,因为摄像头与胸环靶没有正对使图像形状发生了畸变。
产生畸变原理分析如下:
实际测试过程中,摄像头中心与胸环靶中心可以不在同一水平线上,会在竖直方向上出现畸变;摄像头中心与胸环靶中心可以不在同一轴心线上,会在水平方向上出现畸变;
图5.3三维图原理图
图5.4二维校正计算图
校正原理及公式如下
N,V为摄像头成像图像,OF为物体实物,
为摄像头俯仰角Y轴为摄像头正前方,即智能车前进方向?
;V轴为摄像头输出的图像行数方向;M、M为摄像头光轴;H为摄像头高度;OF为摄像头纵向视野范
围;
为摄像头俯仰角;
为摄像头张角;f为摄像头
焦距。
在实际的测试中,
,故对上式进行近似化处理,又因除
和
之外,其他参数在测试中都是可以获得的,使得
和
呈线性关系,在后续的畸变矫正时,畸变后的图形与未畸变的理想图形之间可近似化的取线性关系,故校正时对图像进行等比例的放大。
矫正之后测得的数据如表_5.7所示,测试时放大倍数(校正线性比为1:
1.1)
表_5.8打靶环位测量
摄像头测量环位大小
激光打靶环位
1
2
3
10环
中心
10
10
10
距靶心2—3cm
10
10
10
外环边界
10
9
10
9环
内环边界
9
9
9
距靶心7—8cm
9
9
9
外环边界
8
9
8
8环
内环边界
8
8
8
距靶心12—13cm
8
8
8
外环边界
7
8
7
7环
内环边界
7
7
7
距靶心17—18cm
7
7
7
外环边界
6
7
7
6环
内环边界
6
7
6
距靶心22—23cm
6
6
6
外环边界
5
6
6
5环
内环边界
6
6
5
距靶心27—28cm
5
5
5
外环边界
脱靶
5
5
对比以上表_5.7和表_5.8,表_5.7中环数准确识别准确概率P=经过修正之后进行的环位测量精度有了提高,但是在相邻两环的边界处我们的设计精度仍然不够,出现偏差较大。
5.7实验中弹着点区域测试
将方位分为三个区,并在每个区取3个点,该3点在胸环靶上的分布如下。
顺时针方向测试数据,在每个区内都按照下图取样方式进行取样,并统计该点的方位,用‘1’表示在该区域,用‘0’表示不在该区域。
如图_5.5.7和表_5.9所示:
图5.5.7区域测试取点图
表_5.9激光打靶区域测试
摄像头测量区域
激光打靶区域
1
2
3
正上
第1点
1
1
1
第2点
1
1
1
第3点
1
0
1
右上
第1点
1
1
1
第2点
1
1
1
第3点
1
1
1
正右
第1点
1
1
1
第2点
1
1
1
第3点
1
1
0
右下
第1点
1
1
1
第2点
1
1
1
第3点
1
0
1
正下
第1点
1
1
1
第2点
1
1
1
第3点
1
1
1
左下
第1点
1
1
1
第2点
1
1
1
第3点
1
1
1
正左
第1点
1
1
1
第2点
1
1
1
第3点
1
1
1
左上
第1点
1
1
1
第2点
1
1
1
第3点
1
1
1
从表_5.9可以看出,有三个点出现了错误,经检验,是在边界线处出现了两个区域识别重复的问题,该设计能比较准确的识别划分的8个区域。
5.8液晶屏显示靶形图测试
液晶显示靶形图如下图图5.5.8,从内向外依次分别为10环到5环显示清晰。
图5.5.8液晶显示靶形图
5.9自动瞄准击中靶心测试
测试条件:
激光枪自动控制,在15秒内将激光束光斑从胸环靶上的指定位置瞄准并击中靶心(即10环区域),采用秒表计时并只取2位有效数字,时间单位为秒(s)。
得到的数据如下表表_5.10所示:
表_5.10自动打靶测试(单位cm)
靶位改变方式
脱靶到靶心
5环到靶心
6环到靶心
7环到靶心
8环到靶心
9环到靶心
自动打靶弹着点与靶心距离
实测值
2.2
1.8
2.0
1.9
1.3
1.5
1.1
1.4
1.3
1.3
1.5
1.5
0.3
0.8
0.6
0.5
0.3
0.3
1.9
1.8
0.9
1.5
2.3
1.8
1.6
2.0
1.7
1.1
1.8
1.5
1.0
1.1
0.5
0.5
0.5
0.8
均值
1.90
1.52
1.51
1.45
1.2
0.5
自动打靶所耗时间
实测值
2.7
2.6
2.5
2.2
2.5
2.5
2.4
2.6
2.5
2.0
2.3
2.5
2.0
2.4
2.5
2.3
2.6
2.5
2.3
2.3
2.2
2.2
2.1
2.3
2.7
2.7
2.4
2.2
2.4
2.8
2.4
2.4
2.8
2.5
2.6
2.5
均值
2.45
2.30
2.55
2.38
2.40
2.49
从上表_5.10自动打靶得到的弹着点与靶心距离平均值=(1.90+1.52+1.51+1.45+1.2+0.5)/6=1.2cm。
并且,环数从内向外打到靶心的准确度从偏差1.9cm减小到了0.5cm。
5.10任意环数设定打靶测试
从按键输入环数参数,然后单片机控制舵机自动完成击中目标工作,如下表表_5.11,采用秒表计时并只取2位有效数字,时间单位为秒(s)。
表_5.11自动打靶偏差测试(偏差单位cm)
设定环数
10环
9环
8环
7环
6环
5环
自动打靶弹着点偏差
实测值
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1.6
0
0
2.0
0
2.1
0
0
0
0
0
0
0
0
0
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