摘要
2025 年全国大学生电子设计竞赛 C 题要求“仅用一颗固定摄像头”在 5 s 内完成 100 cm~200 cm 距离、误差 ≤2 cm 的单目测距，并实时显示功耗。本文整合国一选手方案、CSDN 高分博文、B 站实测视频及官方说明，给出从硬件选型→离线标定→在线算法→功耗优化→现场调试的完整工程指南

一、赛题纵览：为什么 2 cm 精度这么难？

维度	官方指标	工程难点
绝对误差	≤2 cm @200 cm	1 % 相对误差，接近工业级
实时性	≤5 s 全流程	禁止 PC，只能用 MCU/MPU
目标多样性	圆/三角/正方形 + 30°~60° 倾斜	透视畸变、特征混淆
功耗	实时显示 P / Pmax	算法与硬件双重约束
其他	一键启动，禁网络	鲁棒性要求极高

二、系统架构总览

功能分离式设计，已被多支国一队验证

模块	方案	职责
视觉前端	OpenMV4 H7 Plus(OV5640) 或 CM4+CSI-2	640×480 采集、畸变矫正、PnP
主控	STM32H743 或 Raspberry Pi CM4 Lite	电流采样、键盘/显示、USB 供电
电流检测	INA226 + 0.1 Ω 分流电阻	±0.5 %，I²C 接口
人机交互	0.96" OLED + 轻触按键	一键触发、实时显示 D/x/P
结构	3D 打印 L 支架 + 燕尾槽微调	光轴稳固、俯仰角可锁

三、离线标定：误差预算的第一步

3.1 相机内参标定（张正友法）

棋盘格：9×7 方格，单格 35 mm，打印 A3 哑光相纸
OpenCV 一键脚本

import cv2, glob, numpy as np
objp = np.zeros((9*7,3), np.float32)
objp[:,:2] = np.mgrid[0:9,0:7].T.reshape(-1,2)*35   # 35 mm
images = glob.glob('calib/*.jpg')
# 自动检测角点 → calibrateCamera

结果
- 重投影误差 0.36 px
- 焦距 fx=1572 px，fy=1570 px，主点 (cx,cy)=(640,360)
- k1=-0.38，k2=0.12，p1=0.001，p2=-0.002

误差折算：0.36 px @200 cm ≈ 1.1 cm，为后续算法留足余量。

3.2 外参 & 基准线标定

基准线：在 100 cm 处贴一条 2 cm 宽黑线，用激光测距仪标定真实距离 L₀=100.0 cm
俯仰角 θ：利用 IMU 或量角器测得 12.4°，写入 EEPROM，开机加载。

四、在线算法：5 s 内跑完 PnP+RANSAC

4.1 图像预处理（耗时 3 ms）

img = sensor.snapshot().lens_corr(strength=1.8, zoom=1.0)  # 畸变 LUT
img.binary([THRESHOLD])                                   # 自适应阈值
img.erode(1).dilate(1)                                    # 去噪

4.2 特征提取与匹配

轮廓检测：find_contours → approxPolyDP
形状判别

顶点数	3	4	∞
目标	三角形	正方形	圆形
尺寸	外接边长	边长	最小外接圆直径

亚像素角点
调用 cornerSubPix 提升角点精度至 0.1 px，关键！

4.3 PnP 解算（耗时 8 ms）

世界坐标：以 A4 纸左下角为世界原点，4 个角点坐标 (0,0,0) (21,0,0) (21,29.7,0) (0,29.7,0)
OpenCV 调用

ret, rvec, tvec = cv2.solvePnP(obj_3d, img_2d, K, dist,flags=cv2.SOLVEPNP_IPPE_SQUARE)
distance = np.linalg.norm(tvec)        # 相机到目标距离 D

RANSAC 去噪
cv2.solvePnPRansac(..., reprojectionError=2.0, iterations=300)
现场光照突变时，剔除异常角点，成功率从 88 % 提升到 98 %。

4.4 倾斜补偿（30°~60°）

计算 Homography H → 反投影到鸟瞰图 → 边长乘以 cos(θ)
实测误差从 3.4 cm → 0.7 cm。

五、功耗优化：从 5 W 到 1.1 W

策略	实施细节	功耗贡献
动态调频	CM4 设置 governor=powersave，空闲 200 MHz	‑350 mW
摄像头分时供电	AO3400 P-MOS 控制 5 V，仅拍照 200 ms 上电	‑150 mW
OLED 休眠	SSD1306 睡眠指令，唤醒 <1 ms	‑80 mW
INA226 低功耗模式	采样周期 140 ms，待机 10 µA	‑5 mW
整机实测	1.1 W @5 V	—

六、调试指南：现场 3 小时速成经验

问题	现象	解决方案
光照过曝	角点漂移	A4 纸背面贴 3 mm 白色亚克力漫反射
摄像头抖动	距离跳变	3D 打印 L 型支架 + 热熔胶固定
编号正方形识别慢	OCR 超时	32×32 轻量 Tesseract 数字模型，7 ms 完成
俯仰角变化	误差激增	每 30 min 重新标定一次俯仰角

七、测试数据 & 图表

7.1 静态距离精度

真值/cm	测量/cm	误差/cm	场景
100.0	101.2	+1.2	室内白光
150.0	150.8	+0.8	阴影边缘
200.0	201.4	+1.4	逆光

7.2 动态功耗曲线（Mermaid 版）

在这里插入图片描述

时段	主要负载	功耗 (W)	备注
0-0.2 s	系统初始化 + 摄像头上电	0.8 → 1.3	OLED 常亮
0.2-0.3 s	算法运行（PnP + RANSAC）	1.3 峰值	摄像头全速
0.3-5 s	空闲，仅 OLED 刷新	0.8	主控降频
5 s 后	自动休眠	0.3	等待下一次触发