專(zhuān)利名稱(chēng)：一種教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種輔助教學(xué)領(lǐng)域，尤其能動(dòng)態(tài)鎖定目標(biāo)的教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，自動(dòng)控制理論和技術(shù)在宇航、機(jī)器人控制等高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也愈來(lái)愈深入廣泛。不僅如此，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴(kuò)展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)管理和其它許多社會(huì)生活領(lǐng)域中，成為現(xiàn)代社會(huì)生活中不可缺少的一部分。自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動(dòng)強(qiáng)度。自動(dòng)控制原理課程作為一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)中，占有較大的比重。而教學(xué)實(shí)踐又是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。我們通過(guò)加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，進(jìn)一步全面提高學(xué)生的思維能力、動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。但是在日常教學(xué)中，對(duì)于自動(dòng)化課程的教學(xué)輔助工具卻很少，滿(mǎn)足不了學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理的深入理解， 也不能對(duì)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力得到鍛煉，達(dá)不到教學(xué)的真正的目的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，該裝置能夠提高學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制原理的深入理解，通過(guò)親自動(dòng)手安裝和控制操作，可以鍛煉學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力。 該裝置能夠?qū)崟r(shí)追蹤前方目標(biāo)，其功能是建立在目標(biāo)檢測(cè)與追蹤的算法之上的，它要求從攝像頭所得到的圖像中，檢測(cè)有無(wú)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入攝像頭的視場(chǎng)，并且通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)激光器來(lái)精確定位出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)，本實(shí)用新型采取如下的技術(shù)解決方案一種教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，包括基座，其特征在于，在基座上通過(guò)螺桿將攝像機(jī)固定于一定高度的空中，且將攝像頭對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；攝像機(jī)上連接有圖像采集卡，該圖像采集卡與基座上的單片機(jī)連接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵機(jī)和第二舵機(jī)，激光器的中心軸與攝像頭的中心線(xiàn)在一條直線(xiàn)上，所述的第一舵機(jī)和第二舵機(jī)分別與單片機(jī)相連接，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)第一舵機(jī)帶動(dòng)第二舵機(jī)，使激光器在左右方向和上下方向移動(dòng)和定位，使激光器始終對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。本實(shí)用新型的其它特點(diǎn)是，所述的單片機(jī)采用MC9S12XS128型號(hào)的單片機(jī)。所述的第一舵機(jī)的型號(hào)為S-9402，第二舵機(jī)的型號(hào)為S-3010。所述的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為帶有黑斑的白色KT板。本實(shí)用新型的教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，在攝像頭固定不動(dòng)的情況下，能對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)黑斑進(jìn)行追蹤。在移動(dòng)基座的情況下，攝像頭也將因?yàn)榛倪\(yùn)動(dòng)而移動(dòng)，隨著運(yùn)動(dòng)黑斑的移動(dòng)，激光器能始終追蹤黑斑，使激光打在黑斑的中心。并且采用硬件控制的方法，通過(guò)單片機(jī)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而控制激光器的位置，其響應(yīng)時(shí)間短，可以對(duì)移動(dòng)黑斑進(jìn)行精確追蹤。其優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面[0009](1)制作簡(jiǎn)單，所需材料較少。該實(shí)用新型主要部件包括兩個(gè)舵機(jī)、一個(gè)單片機(jī)、電源、一個(gè)攝像機(jī)、一個(gè)激光器以及若干導(dǎo)線(xiàn)和小型電子元器件。材料的獲得容易，價(jià)格低廉， 整個(gè)制造過(guò)程對(duì)技能要求也比較低。(2)所需材料少且易于獲取，因而成本較低。(3)操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)所需目標(biāo)。由于該實(shí)用新型主要由核心芯片控制，只需打開(kāi)開(kāi)關(guān)，將其置于追蹤環(huán)境下，裝置就能自動(dòng)檢測(cè)追蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。(4)改進(jìn)簡(jiǎn)單容易，容易實(shí)現(xiàn)多種功能。由于主要由軟件部分控制，在不需要改進(jìn)硬件的條件下，只需改動(dòng)軟件程序，則可以實(shí)現(xiàn)不同功能。例如，目標(biāo)在整個(gè)空間內(nèi)六自由度移動(dòng)的情況下也能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤。

圖1為本實(shí)用新型的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖。圖3為本實(shí)用新型的軟件系統(tǒng)流程框圖。
具體實(shí)施方式
參見(jiàn)圖1和圖2，本實(shí)施例給出一種基于MC9S12XSU8單片機(jī)的教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，能追蹤與激光器垂直的某個(gè)平面內(nèi)黑斑直徑為5cm的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。該教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置包括基座，在基座的中央偏右方通過(guò)螺桿將攝像機(jī)固定于一定高度的空中，確保攝像頭能夠清晰的掃描到前方目標(biāo)且在視場(chǎng)范圍內(nèi)沒(méi)任何障礙物。裝置選用兩個(gè)舵機(jī)，兩個(gè)舵機(jī)交叉放置，將第一舵機(jī)固定于基座的最右方，并且將第一舵機(jī)與第二舵機(jī)相連接，激光器則固定于第二舵機(jī)的側(cè)方，盡量能夠使激光器的中心軸與攝像頭的中心線(xiàn)在一條直線(xiàn)上。兩個(gè)舵機(jī)與MC9S12XSU8單片機(jī)相應(yīng)針腳焊連，從而通過(guò)單片機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)第一舵機(jī)而帶動(dòng)第二舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，第一舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)確保激光器在X方向的定位(左右方向移動(dòng))，第二舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)則確保激光器在Y方向上的定位(上下方向的移動(dòng))。 兩舵機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)確保激光器始終對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(白色KT板上的黑斑)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追蹤。所述運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為正方形的白色KT板，其中央設(shè)置有直徑大小為5cm的黑色圓斑，圓斑的材料為不透明的黑色膠帶，采集的追蹤目標(biāo)信息為黑色圓斑。電源主要是為單片機(jī)及攝像機(jī)、兩個(gè)舵機(jī)提供穩(wěn)定的直流電源。自動(dòng)追蹤裝置的主電源為一塊7. 2V、2A/h可充電鎳鎘蓄電池。單片機(jī)MC9S12XSU8是裝置的核心部分，它負(fù)責(zé)接收外部追蹤目標(biāo)并反饋信息， 對(duì)這些信息進(jìn)行恰當(dāng)?shù)奶幚?，形成合適的控制量來(lái)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制。該實(shí)用新型采用的是兩個(gè)Futaki牌舵機(jī)，第一舵機(jī)的型號(hào)為S-9402，第二舵機(jī)的型號(hào)為S-3010。接口采用了三線(xiàn)連接方法，黑線(xiàn)為電源地線(xiàn)，紅線(xiàn)為電源線(xiàn)，外接5V電源， 另外一根連線(xiàn)(白色)為控制信號(hào)線(xiàn)。該舵機(jī)扭力大，穩(wěn)定性好，控制角度精確。舵機(jī)是一個(gè)位置隨動(dòng)系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上看，它由舵盤(pán)、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路組成。舵機(jī)的工作原理是單片機(jī)首先對(duì)采集回來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，然后根據(jù)得到的不同檢測(cè)信號(hào)發(fā)出不同占空比的PWM控制信號(hào)給舵機(jī)，舵機(jī)在控制信號(hào)的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。為了實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的鎖定我們采用兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行追蹤檢測(cè)。通過(guò)舵機(jī)的穩(wěn)壓電路，將電源 7. 2V的電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓供給兩舵機(jī)，兩舵機(jī)通過(guò)并聯(lián)的方式各自打舵，從而控制激光器在X、Y方向的精確定位。攝像機(jī)的攝像頭型號(hào)為YS-擬8。攝像頭方式的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)距離遠(yuǎn)，探測(cè)精度高， 但攝像頭方式電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，需要視頻信號(hào)同步分離、工作12V電源電路等輔助電路，軟件計(jì)算量大，檢測(cè)信息更新速率慢。CCD傳感器可以將追蹤系統(tǒng)前方很遠(yuǎn)的環(huán)境圖像映射到 CCD器件中，從而得到追蹤系統(tǒng)前方很大范圍內(nèi)的目標(biāo)信息。通過(guò)軟件算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)追蹤目標(biāo)的識(shí)別，得到追蹤目標(biāo)的大小距離等信息。由于攝像頭所需電壓為12V，通過(guò)升壓電路，為攝像頭提供可靠的電壓，確保攝像頭正常工作。參照?qǐng)D1，追蹤環(huán)境為白色KT板做成的正方形光滑平面，其中央設(shè)置有半徑為5cm 的黑色圓斑。自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目的為激光器始終對(duì)準(zhǔn)白色KT板上黑色圓斑的中心。單片機(jī)內(nèi)有軟件，其流程為首先，通過(guò)攝像頭識(shí)別模塊獲取前方追蹤目標(biāo)的信息，通過(guò)單片機(jī)MC9S12XSU8利用連續(xù)路徑識(shí)別算法求得所需數(shù)值，接著對(duì)第一舵機(jī)與第二舵機(jī)進(jìn)行控制，其中第一舵機(jī)控制激光器在X方向的運(yùn)動(dòng)，第二舵機(jī)控制激光器在Y方向的運(yùn)動(dòng)。直到激光器對(duì)準(zhǔn)黑色圓斑的中心為止。并且使追蹤裝置在符合規(guī)則情況下動(dòng)態(tài)追蹤目標(biāo)。參照?qǐng)D3，裝置的工作過(guò)程如圖6所示，系統(tǒng)上電，單片機(jī)初始化，攝像機(jī)和兩個(gè)舵機(jī)都開(kāi)始工作。攝像頭開(kāi)始掃描追蹤環(huán)境中是否有追蹤目標(biāo)，如果沒(méi)有，保持原有的初始值，繼續(xù)重復(fù)之前的工作，直到發(fā)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)入攝像頭視場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)之后，通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自動(dòng)檢測(cè)算法，判斷運(yùn)動(dòng)目標(biāo)中心是否超出攝像頭的中心線(xiàn)，如果沒(méi)有則返回， 繼續(xù)之前工作，如若兩中心出現(xiàn)偏差，則調(diào)用目標(biāo)自動(dòng)追蹤算法，使兩舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，確保激光器始終對(duì)準(zhǔn)黑斑。
權(quán)利要求1.一種教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，包括基座，其特征在于，在基座上通過(guò)螺桿將攝像機(jī)固定于一定高度的空中，且將攝像頭對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；攝像機(jī)上連接有圖像采集卡，該圖像采集卡與基座上的單片機(jī)連接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵機(jī)和第二舵機(jī)，激光器的中心軸與攝像頭的中心線(xiàn)在一條直線(xiàn)上，所述的第一舵機(jī)和第二舵機(jī)分別與單片機(jī)相連接，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)第一舵機(jī)帶動(dòng)第二舵機(jī)，使激光器在左右方向和上下方向移動(dòng)和定位，使激光器始終對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，其特征在于，所述的單片機(jī)采用 MC9S12 XSU8型號(hào)的單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，其特征在于，所述的第一舵機(jī)的型號(hào)為S-9402，第二舵機(jī)的型號(hào)為S-3010。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，其特征在于，所述的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為帶有黑斑的白色KT板。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種教學(xué)用自動(dòng)追蹤裝置，包括基座，在基座上通過(guò)螺桿將攝像機(jī)固定于一定高度的空中，且將攝像頭對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；攝像機(jī)上連接有圖像采集卡，該圖像采集卡與基座上的單片機(jī)連接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵機(jī)和第二舵機(jī)，激光器的中心軸與攝像頭的中心線(xiàn)在一條直線(xiàn)上，所述的第一舵機(jī)和第二舵機(jī)分別與單片機(jī)相連接，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)第一舵機(jī)帶動(dòng)第二舵機(jī)，使激光器在左右方向和上下方向移動(dòng)和定位，使激光器始終對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。在攝像頭固定不動(dòng)的情況下，能對(duì)視場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)黑斑進(jìn)行追蹤，其響應(yīng)時(shí)間短，可以對(duì)移動(dòng)黑斑進(jìn)行精確追蹤。
文檔編號(hào)G09B25/02GK202093734SQ20112019291
公開(kāi)日2011年12月28日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者劉永濤, 周揚(yáng), 李健, 韓毅 申請(qǐng)人:長(zhǎng)安大學(xué)