專利名稱：一種教學(xué)用自動追蹤裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種輔助教學(xué)領(lǐng)域，尤其能動態(tài)鎖定目標(biāo)的教學(xué)用自動追蹤裝置。
背景技術(shù)：
隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，自動控制理論和技術(shù)在宇航、機器人控制等高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用也愈來愈深入廣泛。不僅如此，自動控制技術(shù)的應(yīng)用范圍現(xiàn)在已擴展到生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境、經(jīng)濟管理和其它許多社會生活領(lǐng)域中，成為現(xiàn)代社會生活中不可缺少的一部分。自動控制技術(shù)的應(yīng)用不僅使生產(chǎn)過程實現(xiàn)了自動化，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，而且減輕了人的勞動強度。自動控制原理課程作為一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，在教學(xué)中，占有較大的比重。而教學(xué)實踐又是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。我們通過加強實驗教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，進一步全面提高學(xué)生的思維能力、動手能力和創(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，對于自動化課程的教學(xué)輔助工具卻很少，滿足不了學(xué)生對自動控制原理的深入理解， 也不能對學(xué)生的實際應(yīng)用能力得到鍛煉，達不到教學(xué)的真正的目的。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于，提供一種教學(xué)用自動追蹤裝置，該裝置能夠提高學(xué)生對自動控制原理的深入理解，通過親自動手安裝和控制操作，可以鍛煉學(xué)生的實際應(yīng)用能力。 該裝置能夠?qū)崟r追蹤前方目標(biāo)，其功能是建立在目標(biāo)檢測與追蹤的算法之上的，它要求從攝像頭所得到的圖像中，檢測有無運動運動進入攝像頭的視場，并且通過轉(zhuǎn)動舵機驅(qū)動激光器來精確定位出運動目標(biāo)的位置。為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本實用新型采取如下的技術(shù)解決方案一種教學(xué)用自動追蹤裝置，包括基座，其特征在于，在基座上通過螺桿將攝像機固定于一定高度的空中，且將攝像頭對準(zhǔn)運動目標(biāo)；攝像機上連接有圖像采集卡，該圖像采集卡與基座上的單片機連接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵機和第二舵機，激光器的中心軸與攝像頭的中心線在一條直線上，所述的第一舵機和第二舵機分別與單片機相連接，通過轉(zhuǎn)動第一舵機帶動第二舵機，使激光器在左右方向和上下方向移動和定位，使激光器始終對準(zhǔn)運動目標(biāo)。本實用新型的其它特點是，所述的單片機采用MC9S12XS128型號的單片機。所述的第一舵機的型號為S-9402，第二舵機的型號為S-3010。所述的運動目標(biāo)為帶有黑斑的白色KT板。本實用新型的教學(xué)用自動追蹤裝置，在攝像頭固定不動的情況下，能對視場內(nèi)的運動黑斑進行追蹤。在移動基座的情況下，攝像頭也將因為基座的運動而移動，隨著運動黑斑的移動，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，通過單片機對舵機進行控制，進而控制激光器的位置，其響應(yīng)時間短，可以對移動黑斑進行精確追蹤。其優(yōu)點主要包括以下幾個方面[0009](1)制作簡單，所需材料較少。該實用新型主要部件包括兩個舵機、一個單片機、電源、一個攝像機、一個激光器以及若干導(dǎo)線和小型電子元器件。材料的獲得容易，價格低廉， 整個制造過程對技能要求也比較低。(2)所需材料少且易于獲取，因而成本較低。(3)操作簡單，易于實現(xiàn)所需目標(biāo)。由于該實用新型主要由核心芯片控制，只需打開開關(guān)，將其置于追蹤環(huán)境下，裝置就能自動檢測追蹤運動目標(biāo)。(4)改進簡單容易，容易實現(xiàn)多種功能。由于主要由軟件部分控制，在不需要改進硬件的條件下，只需改動軟件程序，則可以實現(xiàn)不同功能。例如，目標(biāo)在整個空間內(nèi)六自由度移動的情況下也能實現(xiàn)自動追蹤。

圖1為本實用新型的運動目標(biāo)示意圖。圖2為本實用新型的裝置的結(jié)構(gòu)示意框圖。圖3為本實用新型的軟件系統(tǒng)流程框圖。
具體實施方式
參見圖1和圖2，本實施例給出一種基于MC9S12XSU8單片機的教學(xué)用自動追蹤裝置，能追蹤與激光器垂直的某個平面內(nèi)黑斑直徑為5cm的運動目標(biāo)。該教學(xué)用自動追蹤裝置包括基座，在基座的中央偏右方通過螺桿將攝像機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)且在視場范圍內(nèi)沒任何障礙物。裝置選用兩個舵機，兩個舵機交叉放置，將第一舵機固定于基座的最右方，并且將第一舵機與第二舵機相連接，激光器則固定于第二舵機的側(cè)方，盡量能夠使激光器的中心軸與攝像頭的中心線在一條直線上。兩個舵機與MC9S12XSU8單片機相應(yīng)針腳焊連，從而通過單片機對其進行控制。通過轉(zhuǎn)動第一舵機而帶動第二舵機旋轉(zhuǎn)，第一舵機的轉(zhuǎn)動確保激光器在X方向的定位(左右方向移動)，第二舵機的轉(zhuǎn)動則確保激光器在Y方向上的定位(上下方向的移動)。 兩舵機的協(xié)調(diào)運動確保激光器始終對準(zhǔn)運動目標(biāo)(白色KT板上的黑斑)，從而實現(xiàn)自動追蹤。所述運動目標(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及攝像機、兩個舵機提供穩(wěn)定的直流電源。自動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MC9S12XSU8是裝置的核心部分，它負責(zé)接收外部追蹤目標(biāo)并反饋信息， 對這些信息進行恰當(dāng)?shù)奶幚?，形成合適的控制量來對舵機進行控制。該實用新型采用的是兩個Futaki牌舵機，第一舵機的型號為S-9402，第二舵機的型號為S-3010。接口采用了三線連接方法，黑線為電源地線，紅線為電源線，外接5V電源， 另外一根連線(白色)為控制信號線。該舵機扭力大，穩(wěn)定性好，控制角度精確。舵機是一個位置隨動系統(tǒng)，從結(jié)構(gòu)上看，它由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機和控制電路組成。舵機的工作原理是單片機首先對采集回來的信號進行處理，然后根據(jù)得到的不同檢測信號發(fā)出不同占空比的PWM控制信號給舵機，舵機在控制信號的作用下轉(zhuǎn)動一定角度。為了實現(xiàn)空間目標(biāo)的鎖定我們采用兩個舵機進行追蹤檢測。通過舵機的穩(wěn)壓電路，將電源 7. 2V的電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓供給兩舵機，兩舵機通過并聯(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。攝像機的攝像頭型號為YS-擬8。攝像頭方式的優(yōu)點是探測距離遠，探測精度高， 但攝像頭方式電路設(shè)計復(fù)雜，需要視頻信號同步分離、工作12V電源電路等輔助電路，軟件計算量大，檢測信息更新速率慢。CCD傳感器可以將追蹤系統(tǒng)前方很遠的環(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。通過軟件算法，可以實現(xiàn)對追蹤目標(biāo)的識別，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。參照圖1，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。自動追蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)目的為激光器始終對準(zhǔn)白色KT板上黑色圓斑的中心。單片機內(nèi)有軟件，其流程為首先，通過攝像頭識別模塊獲取前方追蹤目標(biāo)的信息，通過單片機MC9S12XSU8利用連續(xù)路徑識別算法求得所需數(shù)值，接著對第一舵機與第二舵機進行控制，其中第一舵機控制激光器在X方向的運動，第二舵機控制激光器在Y方向的運動。直到激光器對準(zhǔn)黑色圓斑的中心為止。并且使追蹤裝置在符合規(guī)則情況下動態(tài)追蹤目標(biāo)。參照圖3，裝置的工作過程如圖6所示，系統(tǒng)上電，單片機初始化，攝像機和兩個舵機都開始工作。攝像頭開始掃描追蹤環(huán)境中是否有追蹤目標(biāo)，如果沒有，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)檢測目標(biāo)進入攝像頭視場。發(fā)現(xiàn)檢測目標(biāo)之后，通過調(diào)用運動目標(biāo)自動檢測算法，判斷運動目標(biāo)中心是否超出攝像頭的中心線，如果沒有則返回， 繼續(xù)之前工作，如若兩中心出現(xiàn)偏差，則調(diào)用目標(biāo)自動追蹤算法，使兩舵機運轉(zhuǎn)，確保激光器始終對準(zhǔn)黑斑。
權(quán)利要求1.一種教學(xué)用自動追蹤裝置，包括基座，其特征在于，在基座上通過螺桿將攝像機固定于一定高度的空中，且將攝像頭對準(zhǔn)運動目標(biāo)；攝像機上連接有圖像采集卡，該圖像采集卡與基座上的單片機連接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵機和第二舵機，激光器的中心軸與攝像頭的中心線在一條直線上，所述的第一舵機和第二舵機分別與單片機相連接，通過轉(zhuǎn)動第一舵機帶動第二舵機，使激光器在左右方向和上下方向移動和定位，使激光器始終對準(zhǔn)運動目標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)用自動追蹤裝置，其特征在于，所述的單片機采用 MC9S12 XSU8型號的單片機。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)用自動追蹤裝置，其特征在于，所述的第一舵機的型號為S-9402，第二舵機的型號為S-3010。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的教學(xué)用自動追蹤裝置，其特征在于，所述的運動目標(biāo)為帶有黑斑的白色KT板。
專利摘要本實用新型公開了一種教學(xué)用自動追蹤裝置，包括基座，在基座上通過螺桿將攝像機固定于一定高度的空中，且將攝像頭對準(zhǔn)運動目標(biāo)；攝像機上連接有圖像采集卡，該圖像采集卡與基座上的單片機連接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵機和第二舵機，激光器的中心軸與攝像頭的中心線在一條直線上，所述的第一舵機和第二舵機分別與單片機相連接，通過轉(zhuǎn)動第一舵機帶動第二舵機，使激光器在左右方向和上下方向移動和定位，使激光器始終對準(zhǔn)運動目標(biāo)。在攝像頭固定不動的情況下，能對視場內(nèi)的運動黑斑進行追蹤，其響應(yīng)時間短，可以對移動黑斑進行精確追蹤。
文檔編號G09B25/02GK202093734SQ20112019291
公開日2011年12月28日 申請日期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, 李健, 韓毅 申請人:長安大學(xué)