一、 任务
基于物体固有频率以及介质中声传播特性，应用模式识别、机器学习等算法，设计并制作一套智能定位系统，实现对特定区域内敲击声源或放置的物件进行探测和定位。
系统包括一块水平放置的正方形平面板，边长为450mm，俯视图及直角坐标系定义如图1所示。特定区域M是边长300mm的正方形，其中心定义为坐标原点O。平面板四个角60mm×60mm的正方形定义为区域Z，在区域Z内安装电声或声电转换部件，用于激发或探测在平面板内部传播的声信号。
二、 要求
1. 基本要求
（1）自制信号发生器，产生步进扫频信号，频率范围为 15kHz~20kHz，步进频率 1kHz，扫频周期为 5 秒。通过电声部件转换为声信号并注入平面板，由不在同一位置的任意声电转换部件接收该声信号，预留测试端口，通过示波器观测接收到的信号。
（2）按图2中红色粗框线将区域M均匀划分为6×6的大方格。一键启动系统后，在指定方格中敲击一次，系统在5秒内完成探测定位并显示对应方格编号。显示格式为横轴编号在前，纵轴编号在后，中间以逗号分割，例如：（EF，0304）、（GH，1112）。
2. 发挥部分
（1）按图2将区域M均匀划分为12×12的小方格。将磁铁圆片放置在指定的某一方格内后，一键启动系统，在15秒内完成定位并显示圆片所在的方格编号，显示格式为横轴编号在前，纵轴编号在后，中间以逗号分割，例如：（E，08）、（I，10）。
（2）将磁铁圆片放置在区域 M 中任意指定的位置后，一键启动系统，在 20秒内完成定位并显示其直角坐标数值，单位为 mm，横轴坐标在前，纵轴坐标在后，中间以逗号分割，例如：（-50mm，100mm）。定位误差不大于 10mm。
（3）其他。
三、 说明
（1） 正方形平面板应选用亚克力材质。边长为 450mm10mm；厚度均匀且为 8mm1mm。使用标记笔在表面画格和标注，但不得进行其他加工处理。
（2） 电声/声电部件和必要的支撑固定部件必须都安装在平面板区域 Z 内
（3） 敲击平面板的端面应足够小，以便能分辨敲击位置。
（4） 采用钕铁硼磁铁圆片（直径 12mm，厚度 2mm），在平面板上、下表面各叠放 5 片，隔平面板相互吸合。磁铁圆片的圆心作为发挥部分（2）定位的基准位置。
（5） 各项任务测试时，均要求先将系统切换到相应工作模式，一键启动后，显示或输出结果。两项测试之间，允许复位系统。
（6） 探测和定位功能仅限于利用在平面板材料内部传播的声波信号，不得使用其他类型传感器。
GPT-4o给出的设计方案：
一、系统概述
此设计旨在实现智能传输系统，用于特定区域内物体的精准定位和运动控制。系统包含移动平台、传输带、定位传感器、图像处理单元和控制单元。
二、硬件组成及连接
- 移动平台及传输带
- 传输带：尺寸为450mm x 450mm，覆盖整个移动区域。支持无缝滑动和精确定位。
- 移动平台：可旋转和移动至指定位置的精确机械平台，平台上安装有精准步进电机，实现频率为15kHz到20kHz，进给速率为15秒。
- 定位传感器
- 高精度位移传感器：每单位时间可以提供实时位置更新，以1mm的精度检测平台的位置变化。
- 摄像系统：由高分辨率相机组成，用于捕捉平台所在区域和检测物体的位置。图像分辨率至少为300DPI。
- 控制单元
- 主控制器：基于高性能MCU或FPGA，控制传输带、移动平台和定位传感器。
- 通讯模块：实现位移传感器与主控制器之间的通信，并将数据传输到显示单元。
- 驱动模块：控制步进电机，实现平台位置的精准控制。
- 显示单元
-
- 显示屏：用于实时展示平台的当前位置和目标信息。
三、软件设计
- 系统初始化
- 初始化MCU/FPGA，配置传输带和移动平台的初始位置。
- 配置传感器和相机参数。
- 传感器数据采集与处理
- 通过位移传感器获取平台当前位置，将位置数据传送到主控制器。
- 图像处理单元使用相机捕捉区域图像，通过图像分析算法（如Canny边缘检测和Hough变换等）识别物体位置及传输带状态。
- 运动控制算法
- 基于PID控制算法，通过计算当前位置与目标位置的偏差，生成相应的控制信号。
- 步进电机接收控制信号并调整平台位置，确保精度达到系统要求。
- 用户接口
- 接收用户输入的目标位置（如图中EF、GH等坐标），显示当前位置信息。
- 若检测到偏差，自动调整平台位置，并在显示屏上显示调整后的精确坐标。
- 实时监控与校准
-
- 在系统运行过程中，持续监控平台位置，校准位移传感器和移动平台的相对位置。
- 定期进行系统自检，确保传感器和步进电机工作正常。
四、校准与测试
- 初次校准
- 使用已知尺寸和位置的标准物体，对系统进行校准，确保位移传感器和相机的检测精度。
- 性能测试
-
- 运行多个测试点，检测系统的反应时间和精度，确保步进电机控制和位置检测的误差在允许范围内。
五、总结
该设计综合了智能传输系统、精密定位技术和图像处理技术，实现了特定区域内高精度、高效率的物体定位和控制。通过精确的传感器和先进的控制算法，确保系统能够满足苛刻的工业应用需求。
本题考查的知识点：
本题目主要考察以下几个知识点：
- 机械与电气系统设计：涉及传输带、移动平台、步进电机等硬件的选择与优化设计，要求工程师具备机械结构设计和电气控制基础。
- 传感器集成：高精度位移传感器以及图像处理系统的集成与应用，检测和反馈运动平台的位移及状态。
- 控制系统：设计一个基于精密控制算法（如PID）的运动控制系统，确保平台能准确、快速地实现目标位置的移动。
- 图像处理与分析：利用高分辨率相机和图像处理算法（如边缘检测和Hough变换）进行物体定位和轨迹检测，确保平台移动的精度和稳定性。
- 系统集成与测试：通过软硬件协同优化，实现高效、精准的系统整体运行，并进行系统校准与性能测试。
总体来说，此项目综合考察了工程师在机械设计、传感器应用、控制算法和图像处理方面的综合能力。
