专利名称：一种教学用自动追踪装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种辅助教学领域，尤其能动态锁定目标的教学用自动追踪装置。
背景技术：
随着计算机技术的发展和应用，自动控制理论和技术在宇航、机器人控制等高新技术领域中的应用也愈来愈深入广泛。不仅如此，自动控制技术的应用范围现在已扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会生活领域中，成为现代社会生活中不可缺少的一部分。自动控制技术的应用不仅使生产过程实现了自动化，极大地提高了劳动生产率，而且减轻了人的劳动强度。自动控制原理课程作为一门重要的专业基础课，在教学中，占有较大的比重。而教学实践又是人才培养的重要环节。我们通过加强实验教学实践环节，进一步全面提高学生的思维能力、动手能力和创新能力，全面提高学生的综合素质。但是在日常教学中，对于自动化课程的教学辅助工具却很少，满足不了学生对自动控制原理的深入理解， 也不能对学生的实际应用能力得到锻炼，达不到教学的真正的目的。
发明内容本实用新型的目的在于，提供一种教学用自动追踪装置，该装置能够提高学生对自动控制原理的深入理解，通过亲自动手安装和控制操作，可以锻炼学生的实际应用能力。 该装置能够实时追踪前方目标，其功能是建立在目标检测与追踪的算法之上的，它要求从摄像头所得到的图像中，检测有无运动运动进入摄像头的视场，并且通过转动舵机驱动激光器来精确定位出运动目标的位置。为了实现上述任务，本实用新型采取如下的技术解决方案一种教学用自动追踪装置，包括基座，其特征在于，在基座上通过螺杆将摄像机固定于一定高度的空中，且将摄像头对准运动目标；摄像机上连接有图像采集卡，该图像采集卡与基座上的单片机连接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵机和第二舵机，激光器的中心轴与摄像头的中心线在一条直线上，所述的第一舵机和第二舵机分别与单片机相连接，通过转动第一舵机带动第二舵机，使激光器在左右方向和上下方向移动和定位，使激光器始终对准运动目标。本实用新型的其它特点是，所述的单片机采用MC9S12XS128型号的单片机。所述的第一舵机的型号为S-9402，第二舵机的型号为S-3010。所述的运动目标为带有黑斑的白色KT板。本实用新型的教学用自动追踪装置，在摄像头固定不动的情况下，能对视场内的运动黑斑进行追踪。在移动基座的情况下，摄像头也将因为基座的运动而移动，随着运动黑斑的移动，激光器能始终追踪黑斑，使激光打在黑斑的中心。并且采用硬件控制的方法，通过单片机对舵机进行控制，进而控制激光器的位置，其响应时间短，可以对移动黑斑进行精确追踪。其优点主要包括以下几个方面[0009](1)制作简单，所需材料较少。该实用新型主要部件包括两个舵机、一个单片机、电源、一个摄像机、一个激光器以及若干导线和小型电子元器件。材料的获得容易，价格低廉， 整个制造过程对技能要求也比较低。(2)所需材料少且易于获取，因而成本较低。(3)操作简单，易于实现所需目标。由于该实用新型主要由核心芯片控制，只需打开开关，将其置于追踪环境下，装置就能自动检测追踪运动目标。(4)改进简单容易，容易实现多种功能。由于主要由软件部分控制，在不需要改进硬件的条件下，只需改动软件程序，则可以实现不同功能。例如，目标在整个空间内六自由度移动的情况下也能实现自动追踪。
图1为本实用新型的运动目标示意图。图2为本实用新型的装置的结构示意框图。图3为本实用新型的软件系统流程框图。
具体实施方式
参见图1和图2，本实施例给出一种基于MC9S12XSU8单片机的教学用自动追踪装置，能追踪与激光器垂直的某个平面内黑斑直径为5cm的运动目标。该教学用自动追踪装置包括基座，在基座的中央偏右方通过螺杆将摄像机固定于一定高度的空中，确保摄像头能够清晰的扫描到前方目标且在视场范围内没任何障碍物。装置选用两个舵机，两个舵机交叉放置，将第一舵机固定于基座的最右方，并且将第一舵机与第二舵机相连接，激光器则固定于第二舵机的侧方，尽量能够使激光器的中心轴与摄像头的中心线在一条直线上。两个舵机与MC9S12XSU8单片机相应针脚焊连，从而通过单片机对其进行控制。通过转动第一舵机而带动第二舵机旋转，第一舵机的转动确保激光器在X方向的定位(左右方向移动)，第二舵机的转动则确保激光器在Y方向上的定位(上下方向的移动)。 两舵机的协调运动确保激光器始终对准运动目标(白色KT板上的黑斑)，从而实现自动追踪。所述运动目标为正方形的白色KT板，其中央设置有直径大小为5cm的黑色圆斑，圆斑的材料为不透明的黑色胶带，采集的追踪目标信息为黑色圆斑。电源主要是为单片机及摄像机、两个舵机提供稳定的直流电源。自动追踪装置的主电源为一块7. 2V、2A/h可充电镍镉蓄电池。单片机MC9S12XSU8是装置的核心部分，它负责接收外部追踪目标并反馈信息， 对这些信息进行恰当的处理，形成合适的控制量来对舵机进行控制。该实用新型采用的是两个Futaki牌舵机，第一舵机的型号为S-9402，第二舵机的型号为S-3010。接口采用了三线连接方法，黑线为电源地线，红线为电源线，外接5V电源， 另外一根连线(白色)为控制信号线。该舵机扭力大，稳定性好，控制角度精确。舵机是一个位置随动系统，从结构上看，它由舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机和控制电路组成。舵机的工作原理是单片机首先对采集回来的信号进行处理，然后根据得到的不同检测信号发出不同占空比的PWM控制信号给舵机，舵机在控制信号的作用下转动一定角度。为了实现空间目标的锁定我们采用两个舵机进行追踪检测。通过舵机的稳压电路，将电源 7. 2V的电压转换成5V电压供给两舵机，两舵机通过并联的方式各自打舵，从而控制激光器在X、Y方向的精确定位。摄像机的摄像头型号为YS-拟8。摄像头方式的优点是探测距离远，探测精度高， 但摄像头方式电路设计复杂，需要视频信号同步分离、工作12V电源电路等辅助电路，软件计算量大，检测信息更新速率慢。CCD传感器可以将追踪系统前方很远的环境图像映射到 CCD器件中，从而得到追踪系统前方很大范围内的目标信息。通过软件算法，可以实现对追踪目标的识别，得到追踪目标的大小距离等信息。由于摄像头所需电压为12V，通过升压电路，为摄像头提供可靠的电压，确保摄像头正常工作。参照图1，追踪环境为白色KT板做成的正方形光滑平面，其中央设置有半径为5cm 的黑色圆斑。自动追踪系统的实现目的为激光器始终对准白色KT板上黑色圆斑的中心。单片机内有软件，其流程为首先，通过摄像头识别模块获取前方追踪目标的信息，通过单片机MC9S12XSU8利用连续路径识别算法求得所需数值，接着对第一舵机与第二舵机进行控制，其中第一舵机控制激光器在X方向的运动，第二舵机控制激光器在Y方向的运动。直到激光器对准黑色圆斑的中心为止。并且使追踪装置在符合规则情况下动态追踪目标。参照图3，装置的工作过程如图6所示，系统上电，单片机初始化，摄像机和两个舵机都开始工作。摄像头开始扫描追踪环境中是否有追踪目标，如果没有，保持原有的初始值，继续重复之前的工作，直到发现检测目标进入摄像头视场。发现检测目标之后，通过调用运动目标自动检测算法，判断运动目标中心是否超出摄像头的中心线，如果没有则返回， 继续之前工作，如若两中心出现偏差，则调用目标自动追踪算法，使两舵机运转，确保激光器始终对准黑斑。
权利要求1.一种教学用自动追踪装置，包括基座，其特征在于，在基座上通过螺杆将摄像机固定于一定高度的空中，且将摄像头对准运动目标；摄像机上连接有图像采集卡，该图像采集卡与基座上的单片机连接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵机和第二舵机，激光器的中心轴与摄像头的中心线在一条直线上，所述的第一舵机和第二舵机分别与单片机相连接，通过转动第一舵机带动第二舵机，使激光器在左右方向和上下方向移动和定位，使激光器始终对准运动目标。
2.根据权利要求1所述的教学用自动追踪装置，其特征在于，所述的单片机采用 MC9S12 XSU8型号的单片机。
3.根据权利要求1所述的教学用自动追踪装置，其特征在于，所述的第一舵机的型号为S-9402，第二舵机的型号为S-3010。
4.根据权利要求1所述的教学用自动追踪装置，其特征在于，所述的运动目标为带有黑斑的白色KT板。
专利摘要本实用新型公开了一种教学用自动追踪装置，包括基座，在基座上通过螺杆将摄像机固定于一定高度的空中，且将摄像头对准运动目标；摄像机上连接有图像采集卡，该图像采集卡与基座上的单片机连接，基座上有交叉放置的用于控制激光器定位的第一舵机和第二舵机，激光器的中心轴与摄像头的中心线在一条直线上，所述的第一舵机和第二舵机分别与单片机相连接，通过转动第一舵机带动第二舵机，使激光器在左右方向和上下方向移动和定位，使激光器始终对准运动目标。在摄像头固定不动的情况下，能对视场内的运动黑斑进行追踪，其响应时间短，可以对移动黑斑进行精确追踪。
文档编号G09B25/02GK202093734SQ20112019291
公开日2011年12月28日 申请日期2011年6月10日 优先权日2011年6月10日
发明者刘永涛, 周扬, 李健, 韩毅 申请人:长安大学