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大一也能打电赛！靠几个开源项目，我们3天做完了E题

科技   2024-09-25 20:01   江苏  

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大家好，我们是来自华北电力大学的李萧毅、徐荥和章钰晨。2024年电赛我们选择的是E题，实现了题目中所要求的全部功能，还获得了北京市一等奖。很荣幸收到达尔闻的邀请，来和大家分享我们这次参赛经历。

我们参赛时都是大一，也是第一次参加电赛，能有这样的成绩并不是因为我们实力有多强，而是许多优秀开源项目，帮我们分担了很大一部分工作量。

选题



因为我们三人都没学过模电，能看懂，并有些思路的题目，也就只剩E（三子棋）、G（超声波）、H（小车）题了。但是我们注意到实验室有两台坏掉的3D打印机，虽然它的喷嘴热敏电阻有点问题，但机械结构都正常，尺寸也刚好符合题目要求，我们没有犹豫，直接向老师申请借来了这台打印机，选择E题并开始设计。

硬件



事实上，我们完全可以直接用这台3D打印机作为我们作品的机械部分，但考虑到评测时组委会可能要求必须自己设计机械结构，我们还是对这台3D打印机做了一些修改，去掉喷嘴和Y轴，把XZ轴横过来，这样原来喷嘴的位置就可以安装工具头用来在水平方向移动棋子了。

在棋子移动方案上，我们使用了最直接，也最简单的方式：用电磁铁吸取并移动棋子。棋盘也没用什么花里胡哨的底色，捡了个咖啡包装纸袋，剪成方形，画上格子，主打一个能用就行，棕色也不刺眼；底板用激光切割了一片木板，略微涂黑，摄像头能识别到黑白棋子就正合适。

再找个ESP32开发板，接上2个步进电机驱动模块，1个继电器模块用于控制电磁铁，硬件部分就算完成了。

软件



要说这个项目最复杂的部分，就是软件的编写了，或者说，视觉算法的编写。

很多同学做到这里，第一反应是去配置工程，找步进电机驱动算法，研究坐标转换等，启动时没限制加速度导致丢步，斜线坐标计算的误差……可能因此也怀疑过步进电机的精度。

而我们，连编译器都没碰，使用FluidNC（Github: bdring/FluidNC）这一基于ESP32的开源G代码解释器，配合它的网页端烧录、配置工具，不到1个小时就实现了平台的位置、速度、加速度控制，和电磁铁吸合与断开控制，重复定位精度更是达到了毫米级！而这些，只需通过串口发几行G代码，这为我们实现视觉算法节约了许多时间。

视觉算法方面，考虑到OpenMV价格较高，我们用OpenCV和泰山派来实现。下面简单介绍一下算法设计思路。

因为摄像头位置固定，可以直接进行透视变换，使图像坐标与物理坐标（毫米）一一对应。

棋盘的检测算法，使用直线检测后按角度分类，找到每条直线红蓝交点距离最接近100mm的两个点，在这条直线坐标增长最快的方向排序这些点，并在另一方向重复操作，就得到了棋盘位置。这样做的好处是即使棋盘被棋子遮挡了一小部分，也不影响棋盘位置的识别。

棋子的识别就相对简单了，使用圆形检测，只检测直径接近20mm（对应图片中40像素）的圆。为避免漏掉或多识别出棋子，只有识别到10个棋子时才进行下一步操作。黑白棋就很简单了，反正识别靠灰度图，大于127就是白，否则是黑。

因为我们没有设计电磁铁的Z轴运动结构，如果直线移动电磁铁会碰到其它棋子，所以要在移动前使用A*算法（Github: AtsushiSakai/PythonRobotics）规划电磁铁移动路径。同时，因为ESP32可以缓存串口发来的移动（G0）和电磁铁控制指令（M3），因此可以在移动棋子过程中在后台计算下一步的移动路径，在泰山派这种普通的Linux开发板（嗯，我们指导老师说它性能不够用）上也能实现一次计算连续恢复9颗棋子的效果。

对弈算法，我们选择的是最简单的minmax算法（Github: Cledersonbc/tic-tac-toe-minimax），也就是穷举法。300ms出结果，能用就行，剪枝优化什么的，留给专业的人去做吧。

算法的移植不算难，无非就是把原来的控制台输入用户操作改为由视觉算法输入。下面是软件总体设计框图供大家参考。

移植



虽然程序跑得起来，功能也没问题，但评测要求程序要在作品中，而现在我们一直在电脑上调试。在尝试向泰山派移植的过程中出现了不少问题：官方系统的Python和OpenCV版本太低，而且只开放了2个串口，SSH特别卡，而且这种嵌入式Linux和普通Linux不同，它不能通过apt安装驱动。但这些都没难住我们，用提前下载好的新版SDK（Github: CmST0us/tspi-linux-sdk），再对照原理图引出的引脚修改设备树的引脚复用，瑞芯微的SDK文档很全（比全winner家的全），只改了不到10行代码，就打开了第三个硬件串口，顺便把CH340驱动也编译进了内核，解决了串口不够用的问题。

UI



做到这里，已是第三天傍晚，我们开始设计作品的UI。今年的器件清单中特别提到了LCD屏，学校也统一购买了几块，但那20年前的UI的风格实在不符合我们的审美，而且我们时间还很充裕，完全可以给它设计一个漂亮的UI。翻箱倒柜找到高考后启明云端送我的一块ESP32-S3的触摸屏模块，之前也用它写过项目，有对应的LVGL（Github: lvgl/lvgl）驱动代码，拿来做交互正合适。LVGL，启动！

用SquareLine Studio大概设计一下界面，导出后手动把UI函数移植过去，对于串口通信，我们有备赛时准备的，把C语言结构体自动转换成跨平台无感数据互传代码，只需上位机Python写几个数据更新回调。

在rc.final设置开机自启，完成！

还剩一个白天，我们也没闲着，通过各种方式测试作品的稳定性，力求做到“万无一失”。

总结



这次电赛，我们的作品除去那台坏掉的3D打印机，成本不到300元，用这样普通的硬件，却实现了题目要求的全部功能。

在接下来的邀请赛中，我们因为没有模电设计经验，为了测量运放的单位增益带宽，硬是用三极管搭建放大电路，最后也没能成功。而赛后搜索得知，为避免压摆率影响，可以通过提高运放的放大倍率，在较低频率间接测量这一参数，也就是测量并计算增益带宽积。可见，电赛不只是电子设计技能的较量，更是经验的比拼。在做出任何决定之前，在被各种奇怪的软硬件问题搞得不知所措时，不妨放下手里的工作，看看前人的思路，说不定会有新收获！

END


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