一、 任务
设计制作一个运动目标控制与自动追踪系统。系统包括模拟目标运动的红色光斑位置控制系统和指示自动追踪的绿色光斑位置控制系统。系统结构示意及摆放位置见图1（a）。图中两个激光笔固定在各自独立的二维电控云台上。
红色激光笔发射的光斑用来模拟运动目标，光斑落在正前方距离 1m 处的白色屏幕上，光斑直径≤1cm。红色光斑位置控制系统控制光斑能在屏幕范围内任意移动。绿色激光笔发射的光斑由绿色光斑位置系统控制，用于自动追踪屏幕上的红色光斑，指示目标的自动追踪效果，光斑直径≤1cm。绿色激光笔放置线段如 图 1（b）所示，该线段与屏幕平行，位于红色激光笔两侧，距红色激光笔距离大
于 0.4m、小于 1m。绿色激光笔在两个放置线段上任意放置。屏幕为白色，有效面积大于 0.6╳0.6m2。用铅笔在屏幕中心画出一个边长0.5m 的正方形，标识屏幕的边线；所画的正方形的中心为原点，用铅笔画出原点位置，所用铅笔痕迹宽≤1mm。
二、 要求
1. 基本要求
（1）设置运动目标位置复位功能。执行此功能，红色光斑能从屏幕任意位置回到原点。光斑中心距原点误差≤2cm。
（2）启动运动目标控制系统。红色光斑能在 30 秒内沿屏幕四周边线顺时针移动一周，移动时光斑中心距边线距离≤2cm。
（3）用约 1.8cm 宽的黑色电工胶带沿 A4 纸四边贴一个长方形，构成 A4 靶纸。将此 A4 靶纸贴在屏幕自定的位置。启动运动目标控制系统，红色光斑能在30 秒内沿胶带顺时针移动一周。超时不得分，光斑完全脱离胶带一次扣 2 分，连续脱离胶带移动 5cm 以上记为 0 分。
（4）将上述 A4 靶纸以任意旋转角度贴在屏幕任意位置。启动运动目标控制系统，要求同（3）。
2. 发挥部分
（1）运动目标位置复位，一键启动自动追踪系统，控制绿色光斑能在 2 秒内追踪红色光斑，追踪成功发出连续声光提示。此时两个光斑中心距离应≤3cm。
（2）运动目标重复基本要求（3）~（4）的动作。绿色激光笔发射端可以放置在其放置线段的任意位置，同时启动运动目标及自动追踪系统，绿色光斑能自动追踪红色光斑。启动系统 2 秒后，应追踪成功，发出连续声光提示。此后，追踪过程中两个光斑中心距离大于 3cm 时，定义为追踪失败，一次扣 2 分。连续追踪失败 3 秒以上记为 0 分。运动目标控制系统和自动追踪系统均需设置暂停键。同时按下暂停键，红色和绿色光斑应立即制动，以便测量两个光斑中心距离。
（3）其他。
三、 说明
（1）红色、绿色光斑位置控制系统必须相互独立，之间不得有任何方式通信；光斑直径小于 1cm；屏幕上无任何电子元件；控制系统不能采用台式计算机或笔记本电脑。不符合要求不进行测试。
（2）基本要求（3）、（4）未得分不进行发挥部分（2）的测试。
GPT-4o给出的设计方案：
一、系统结构
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硬件组成
- 激光笔和固定架：用于发射红色和绿色激光束。
- 二维云台：用于垂直和水平移动固定激光笔，精度为1mm。
- 控制单元：选择基于STM32或Arduino的微控制器，负责控制云台的运动和激光笔的开关。
- 摄像头和图像处理单元：用于检测屏幕上的光斑位置。
- 电源模块：提供整个系统所需的稳定电源。
-
控制单元与通信
- 传感器接口：采集摄像头的数据。
- 运动控制接口：控制云台电机的运动。
- 激光控制接口：控制激光笔的开关。
二、软件设计
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初始化
- 初始化云台和摄像头。
- 设置红色和绿色激光笔的初始位置。
-
光斑位置检测与运动控制
- 图像处理：
- 使用摄像头采集屏幕图像，采用常见的图像处理算法（如CV库的霍夫变换）来检测红色和绿色激光斑点位置。
- 计算误差：
- 根据检测到的光斑位置与目标位置的偏差，计算需要调整的角度和距离。
- 运动控制：
- 控制云台电机移动，调整红色和绿色激光笔的位置，使激光斑点移动到目标位置。
- 重复上述过程，直至光斑位置达到目标精度。
- 图像处理：
-
自动追踪算法
- 定义目标移动路径。
- 在系统开启后，根据设定路径，控制云台连续调整激光笔位置，保持激光斑点始终在目标轨迹上。
-
自检与报告
- 每次调整后进行位置检测，记录调整次数。
- 超过标准调整次数后，触发自检流程，检测激光笔位置是否需要重新校准。
三、校准与测试
- 初步测试
- 在系统初次启动时，对红色和绿色激光笔位置进行标定测量。
- 校准与调整
- 根据红色和绿色激光斑点偏差，对云台运动系统进行校准，确保精度在1mm以内。
四、 注意事项
- 确保激光笔与云台固定牢固，避免在运动过程中产生振动影响激光定位精度。
- 定期对系统进行检查与维护，确保各部分硬件连接可靠，软件算法运行无误。
- 光线干扰问题：确保环境光线稳定，避免干扰激光斑点检测。
题目考察的知识点：
本题目考察了运动目标控制与自动追踪系统的综合设计和实现，涉及硬件和软件多个方面的知识。
硬件方面，考察了激光笔、二维云台、电源模块及其接口电路的选择与搭建；软件方面，重点是通过图像处理技术（如霍夫变换）实现对激光光斑位置的实时检测与定位，并通过控制算法实现云台精确运动，维持光斑在指定目标上。还涉及系统的校准、误差分析与修正方法，确保高精度要求。同时，考察了自动控制系统的集成与调试方法，强调了多学科知识的融合与应用。
