实验题目：自动打靶机器人的设计与制作

1. 课程简要信息

课程名称：模拟电子技术、数字电子技术、单片机等；

课程学时：24 学时（课外）；

适用专业：物联网、自动化、信号与控制等；

学生年级：三年级、四年级。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

项目需要完成的任务（如需要观察的现象，分析某种现象的成因、需要解决的问题等）；是否设计有不同层次的任务。

根据已学知识，设计并制作一个自动打靶机器人。
基础要求：标靶大小直径 $3 0 \mathrm { c m }$ ，中心圆直径 2cm；能够自动识别静态标靶，并指出标靶中心，偏差不超过标靶中心半径 3cm 的区域，机器人距标靶 $\mathrm { l m }$ 以上。
扩展要求一：通过液晶显示器实现靶环的自动显示。
扩展要求二：控制移动小车自动识别标靶。

3. 实验过程及要求（限 300字）

如对学生在实验过程中在需求分析、资料查询、自学预习、思考讨论、方法设计、进程规划、软件仿真、平台构建、器件选择、表格设计、现象观察、数据测试、问题分析、总结报告、验收答辩、演讲交流等各方面的要求。

1）尽可能多地查找满足实验要求的单片机、光电探测器，学习并了解不同器件的参数指标，先用软件仿真，比较选择最优；

2）靶面识别方案的选择与论证；

3）选择将环值信号转换为数字信号的方法，并将其以数字的形式显示出来；

4）设计反馈控制电路对靶面中心加以修正，减少误差，达到设计要求；

5）构建一个简易的标靶，按照要求的距离进行打靶测试，测定打靶环数并控制误差；

6） 撰写设计报告，阐明电路设计方案、实验过程中遇到的问题及解决办法、结果分析等；

7）展示作品，并通过分组演讲答辩，学习交流电路制作经验及不同解决方案的优缺点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

项目涉及的知识方法、实践技能、应用背景、工程案例。

激光打靶系统是模拟射击训练的典型案例，工作原理是采用激光脉冲来模拟枪弹的射击，系统包括激光发射部分、激光信号检测模块、打靶成绩处理和显示部分。当机器人瞄准时，激光器会发出激光脉冲，射向目标上的光电探测器，如果击中目标，则激光脉冲被光电探测器接收并转换为电信号，经电路处理能识别射击的弹着点，信号经处理编码后传输到计算机。

5. 教学目标与目的（限 100字）

如学习、运用知识、技术、方法；培养、提升能力、素质。

在模拟真实项目实现过程中引导学生夯实基础、拓展视野，设计多种方案根据工程需求比较选择技术方案；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建测试环境与条件，并通过测试与分析对项目做出技术评价；培养学生信息检索能力、团队合作及创新能力。

6. 教学设计与引导

如预习要求及检查；课堂知识讲解、方法引导、背景解释；实验中的方法指导，问题设置、思路引导等。研讨主题、观察节点、验收重点、质询问题的设计等。

本实验是一个内容完整的小型工程设计项目，需要查阅资料、学习研究、分析与计算、方案论证、系统设计与调试、结果分析、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 针对设计任务进行具体分析，充分理解题目，明确设计要求及每项指标的含义。
2） 针对设计任务和要求，查阅资料，广开思路，提出多种解决方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选择合适的方案。
3） 可以简略地介绍反馈控制的基本原理，要求学生自学实现反馈控制的方法及参数的整定。
4） 将系统分解成几个单元模块，明确每个模块的功能，先设计单元电路，然后将各个单元电路组合搭建成整体电路。构建总体框图，清晰地表示系统的工作原理，各单元电路的功能及相互关系。
5） 引导学生考虑为什么要做这个实验？不仅仅是考查所学知识，更重要的是能用所学的知识来解决一个实际的工程问题，激发学生的学习热情。
6） 根据所学知识选择元器件、确定参数并设计电路；讲解一些超出目前知识范围的解决方案，鼓励学生自主学习并尝试实现；对比不同元器件和电路之间的区别。
7） 硬件设计应遵循结构紧凑、布局布线合理规范等原则；软件设计应遵循结构清晰、可读性强、功能模块化编写等原则。
8） 注意焊接方法和焊接工艺，采用分级焊接、分级测试的方法，逐级排除问题。
9） 在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，并记录测试结果。
10） 采用错误诱导式教学方法，尝试提出一些错误的要求或有意不强调某些注意事项，通过产生错误的结果引导学生思考解决错误，使学生加深对相关知识点的理解。
11） 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，交流在实验过程中出现的问题及解决方法等，拓宽知识面。在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数

要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

实验的基本原理、完成实验任务的思路方法，可能采用的方法、技术、电路、器件。

1） 系统结构

本系统基于 STM32F103ZET6 单片机控制小车转动，主要由主控模块、光电探测模块、激光头模块、小车控制模块和显示模块等组成，系统总体框图如图 1所示。

图 1 系统结构框图

2） 实现方案

本设计采用半导体激光器和半导体面阵列探测器来模拟子弹射击和射击靶标，具有模拟逼真，精度高等特点。主要从信号处理部分来设计实现激光打靶系统，每次射击能精确的显示 5－10 环的结果及脱靶情况，每个环数又可分为八个偏移方向。该系统简单实用，既能保证训练的质量又能减少弹药的消耗，是理想的公安、军队等部门训练使用的模拟打靶系统。以 STM32F103ZET6 单片机进行实时处理、控制显示屏显示环数。

a) 标靶设计

把一个激光靶划分为 38 块探测器，中心 10 环为一块探测器；9.8.7.6 环分别有 8 块探测器；5环有 5 块探测器。根据不同靶位上的探测器来判断所击中的位置，包括环数：10.9.8.7.6.5；偏离方向：上.下左.右.左上.左下.右上.右下。若信号击中两块或四块探测器的交界，则只取其中一块为有效，记为有效的探测器满足以下条件：（1）环数高；（2）偏离方向为斜向（例如：上和右上两方向，选择右上）。

根据上述要求，以及硬件电路设计的需要，对不同的探测器进行编码，见图2

图 2 靶位划分与编号

b) 硬件设计

硬件系统主要分 3 大模块：主控模块、光电探测模块和显示模块，其中主控系统控制小车转动、及编码信息的处理等；光电探测模块控制激光信息的采集和光电转换；显示模块显示打靶环值。

主控模块：主控模块是系统的核心模块，主要完成逻辑计算与任务调度等功能。本系统采用STM32F103ZET6 作为主控芯片，该芯片运算速度快，功率损耗低，抗干扰能力强，完全兼容传统单片机指令代码。

光电探测模块：其工作原理是激光枪发出的激光束，打到光电传感器上，经光电传感器将光信号转换为电信号，因此激光的检测就是对探测器响应电信号的检测。光电探测器的响应是一个单脉冲小信号，整个检测过程包括：信号放大、波形整形，检测输出是标准的脉冲数字信号。电信号经过信号处理后发送到 STM32F103ZET6 单片机。

图 4 光电检测模块框图

显示模块：触摸显示屏模块用于显示打靶环值。

c) 软件设计

硬件是保障自动打靶系统的基础，而软件部分则是系统的核心，软件部分中功能模块和关键技术设计与实现对整个系统的性能有着极大的影响。本系统在基于 keil4 的开发平台下，采用 C 语言编程实现系统的主要功能。系统的总体结构图如图 2 所示：

图 3 靶位编码
图 5 系统的总体结构图

小车控制：在软件设计中用 C 语言编程方式，采用 PWM 控制直流电机转动很小的角度，编程过程中采用主函数调用模块函数实现对应功能，其中小车控制流程图如图 3 所示。

TFT 显示程序：TFT 采用 C 语言的编程方式，提高了程序的集成度和可用性。TFT 编程流程图如图 4 所示。

图 6 小车控制流程图

图 7 TFT 编程流程图

d) 实物图片

图 8 履带车图

图 9 实物图

8. 教学实施进程

简要介绍实验实施进程的各个环节（如任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等）中，教学设计的思路、目的，教师、学生各自需要完成的工作任务，需要关注的重点与细节。

在实验实施过程中的任务安排、预习自学、现场教学、分组研讨、现场操作、结果验收、总结演讲、报告批改等环节中，教学设计安排及重点工作为：

1）任务安排：结合实验目的，教师针对性的布置预习任务，发送给学生，其中预习目标应明确并尽可能量化；
2） 预习自学：学生按要求预习，完成预习目标，形成预习报告，提出疑问待课上与教师交流；
3） 现场教学：教师对实验环节及注意事项做简明讲解，给学生留充足时间动手操作，此环节注重授课的简明扼要，对已经安排预习的内容不赘述；
4） 分组研讨：根据课前预习及教师讲解，进行分组讨论并模拟实验进程，汇总疑问，教师对共性问题统一讲解；
5）现场操作：学生分组实验，按预先设计的实验步骤操作，教师做统一监督指导，此环节注重学生动手能力培养，尽量保证所有学生都能参与；
6）结果验收：实验进行中，学生应对重要环节实验结果应予以记录，结果验收时教师检查各组过程结果及最终实验结果，综合评定。
7）总结演讲：教师对此次课程总体表现情况做总结，与学生交流分享,公布交报告时间；
8）报告批改：学生按时完成报告，教师从实验结果达标情况、课程理解程度、问题回答等方面，给出报告成绩。

9. 实验报告要求

需要学生在实验报告中反映的工作（如：实验需求分析、实现方案论证、理论推导计算、设计仿真分析、电路参数选择、实验过程设计、数据测量记录、数据处理分析、实验结果总结等等）

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析：正确理解项目要求。
2） 实现方案论证：实验的蓝图，关系到实验的成败。
3） 理论推导计算：科学的计算分析。
4） 电路设计与参数选择：模型选择及参数计算。
5） 电路测试方法：调试电路，纠错校正。
6） 实验数据记录：表格合理，数据清晰。
7） 数据处理分析：结果计算分析。
8）实验结果总结：误差分析、心得体会。

10.考核要求与方法（限 300 字）

考核的节点、时间、标准及考核方法。

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度、完成时间。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
5）实验数据：测试数据和测量误差。
6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色在于：项目背景的工程性，知识应用的综合性，实现方法的多样性。

项目贴近生活，具有一定的工程背景和实用价值，模拟实战装备和训练方式，从而降低训练成本，提高训练效率。综合应用模拟电路、数字电路和单片机等知识，实验器件及电路设计多选择性，功能直观有趣。新知识的扩展学习，开拓了思路，培养综合应用能力和创新能力，增强分析与解决问题的能力；完成作品的同时达到学以致用的目的。

实验案例信息表