激光槍自動(dòng)射擊報(bào)靶裝置

陳啟昂 潘瑤麟 樓奇力

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院 310018）

1 系統(tǒng)方案

1.1 主控芯片的選擇

根據(jù)本題的要求，整個(gè)系統(tǒng)中必須要有一個(gè)主控芯片來(lái)處理數(shù)據(jù)和控制操作，主要考慮以下兩種方案：

方案一：MSP430系列單片機(jī)。16位低功耗單片機(jī)，性能良好。

方案二：51系列單片機(jī)。價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，但是有復(fù)雜的算法的局限。

方案三：MK60DX256ZVLQ10單片機(jī)。32位處理器內(nèi)核高性能處理器，具有強(qiáng)大的控制、處理能力，豐富的外圍模塊，穩(wěn)定的系統(tǒng)，提供方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

本系統(tǒng)選取MK60DX256ZVLQ10單片機(jī)作為控制器，MK60DX256ZVLQ10單片機(jī)支持低功耗模式，性能穩(wěn)定，內(nèi)置嵌套向量中斷控制器，在控制、處理數(shù)據(jù)速度上有優(yōu)勢(shì)，并含有豐富的外圍模塊，所以選擇方案三。

1.2 傳感器的選擇

本系統(tǒng)的傳感器主要是圖像的采集及分析，可考慮的傳感器如下列方案：

方案一：CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

方案二：攝像頭。數(shù)字?jǐn)z像頭可以將視頻采集設(shè)備產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而將其儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里。

由于題目明確要求使用攝像頭，識(shí)別激光槍投射在胸環(huán)靶上的彈著點(diǎn)光斑，并顯示彈著點(diǎn)的環(huán)數(shù)與方位信息。因此傳感器選擇方案二。

1.3 電機(jī)的選擇

電機(jī)的主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向點(diǎn)光源，可選取的類型如下方案：

方案一：步進(jìn)電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。每給一次脈沖信號(hào)，電機(jī)能夠轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。

方案二：直流減速電機(jī)。此電機(jī)在正常通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，控制簡(jiǎn)單方便。

方案三：舵機(jī)。此電機(jī)由PWM的占空比來(lái)控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度。角度準(zhǔn)確，控制簡(jiǎn)單。

根據(jù)設(shè)計(jì)的要求可知，步進(jìn)電機(jī)存在的明顯缺陷是角度變化的局限性，控制相對(duì)直流減速電機(jī)而言也復(fù)雜。直流減速電機(jī)角度連續(xù)變化，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，容易控制，但是舵機(jī)集各個(gè)優(yōu)點(diǎn)于一體，因而選用第三種方案。

1.4 總方案的確定

綜上，本系統(tǒng)最終以MK60DX256ZVLQ10作為控制器，根據(jù)攝像頭采集的圖像來(lái)判斷彈著點(diǎn)所在位置，并顯示于12864液晶屏，同時(shí)能通過(guò)鍵盤來(lái)改變PWM波使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，從而調(diào)控激光槍的彈著點(diǎn)。

圖1 總方案圖

2 理論分析與計(jì)算

2.1 激光槍自動(dòng)控制原理分析、計(jì)算

激光槍的自動(dòng)控制由兩個(gè)舵機(jī)來(lái)完成，兩個(gè)舵機(jī)分別控制上下移動(dòng)和左右移動(dòng)。舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度由PWM波的占空比來(lái)控制。

給定PWM波的周期為20ms, 初始化脈寬為1.5ms，即每旋轉(zhuǎn)一度，所需增加的脈寬為：

其中，Tmax為左轉(zhuǎn)極限脈寬。

Tmin 為右轉(zhuǎn)極限脈寬。

圖2 舵機(jī)控制原理圖

2.2 彈著點(diǎn)檢測(cè)原理分析、計(jì)算

根據(jù)題目中的要求，胸環(huán)靶是在不反光的白紙畫有一組相距5cm的同心圓(線寬不超過(guò)1mm)，最內(nèi)圓環(huán)直徑10cm，圓環(huán)內(nèi)為10環(huán)區(qū)域，從最內(nèi)環(huán)至最外環(huán)間分別為9、8、7、6、5環(huán)區(qū)域，最外環(huán)外為脫靶，具體如下：

以圓心為原點(diǎn)，我們采用極坐標(biāo)的方式來(lái)處理，因?yàn)樾丨h(huán)靶的位置不改變，通過(guò)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度來(lái)改變彈著點(diǎn)在胸環(huán)靶上的坐標(biāo)。所以彈著點(diǎn)的位置可以根據(jù)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及舵機(jī)與胸環(huán)靶之間的距離來(lái)計(jì)算。

根據(jù)以上分析，可以將彈著點(diǎn)的位置問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解水平角度或仰角與水平角度的相關(guān)問(wèn)題。降低了任務(wù)的復(fù)雜性，目標(biāo)明確。

根據(jù)對(duì)胸環(huán)靶的分析，依據(jù)簡(jiǎn)易、精確控制與節(jié)約資源的原則，本設(shè)計(jì)采用攝像頭置前，與靶心的垂距為90cm。

激光槍的打靶射擊可分解為水平移動(dòng)和豎直移動(dòng)。攝像頭應(yīng)用于確定彈著點(diǎn)的位置，反饋予控制器，在液晶屏上數(shù)字報(bào)靶。考慮到能夠快速的檢測(cè)到彈著點(diǎn)的具體方位，以便快速瞄靶心。設(shè)激光槍控制彈著點(diǎn)與靶心的距離為x,則

水平方向激光束與中垂線的夾角

計(jì)算如下：

其中t為當(dāng)前所給的PWM波脈寬。

豎直方向的布局分析與上述情況相同。

此外，考慮到外界的影響，在胸環(huán)靶的靶環(huán)外貼上正方的黑色膠帶做標(biāo)記。實(shí)踐證明，這樣的處理能夠達(dá)到更良好的控制。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電源模塊有兩種，如圖2所示，上半部分電路是給攝像頭提供5V電壓的電源模塊，下半部分電路是給Kinetis60提供3.3V電壓的電源模塊。

圖4 電源模塊

為了能更清楚地知道激光點(diǎn)當(dāng)前所在環(huán)數(shù)，我們加入了語(yǔ)音播報(bào)模塊，本模塊由ISD1700芯片及其外圍電路組成，可以對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行存儲(chǔ)與回放，同時(shí)具有音量調(diào)節(jié)，聲音擦除等功能。

圖5 語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放電路

3.2 程序設(shè)計(jì)

程序描述：

初始化部分：控制器配置

程序主體部分包括：激光槍及瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、胸環(huán)靶、彈著點(diǎn)檢測(cè)電路。

控制系統(tǒng)上電后，進(jìn)入初始化狀態(tài)，12864液晶顯示胸環(huán)靶的相應(yīng)圖像，在按鍵之后，系統(tǒng)進(jìn)入按鍵控制彈著點(diǎn)的位置，此時(shí)，攝像頭采集圖像，并且液晶顯示數(shù)字報(bào)靶。再次按鍵，移動(dòng)激光筆自動(dòng)追蹤靶心，經(jīng)過(guò)一段后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)使得激光筆的彈著點(diǎn)位置與靶心的位置相對(duì)并打靶擊中圓心。

圖3 攝像頭與激光槍分布圖

圖6 程序流程圖

4 測(cè)試方案與結(jié)果

4.1 測(cè)試方法與過(guò)程

由理論分析可知，本系統(tǒng)對(duì)攝像頭的圖像采集、處理，要求比較高。主要就是如何調(diào)制攝像頭，使其采集到的圖片盡量不發(fā)生畸變。

測(cè)試前的準(zhǔn)備：

先給點(diǎn)光源通電，調(diào)整點(diǎn)光源的電流值，達(dá)到規(guī)定范圍內(nèi)，然后在給其余設(shè)備供電后系統(tǒng)直接進(jìn)入檢測(cè)傳感器是否能夠正常工作狀態(tài)。然后，手動(dòng)使激光筆打靶，查看攝像頭的圖像采集情況，主要是使水平方向的圖像，豎直方向的圖像盡量少發(fā)生畸變，并且微調(diào)指示臺(tái)，傳感器的采樣圖像有顯著地變化，接著按啟動(dòng)按鍵，就可以測(cè)試。

測(cè)試方法：在測(cè)試前的準(zhǔn)備 工作結(jié)束后，先讓其任意打靶，液晶數(shù)字報(bào)靶，鍵盤任意調(diào)整彈著點(diǎn)位置，激光束光斑從胸環(huán)靶上的指定位置迅速瞄準(zhǔn)并擊中靶心。

4.2 測(cè)試儀器和材料

穩(wěn)壓電源 數(shù)字萬(wàn)用表 胸環(huán)靶支架

4.3 測(cè)試結(jié)果與數(shù)據(jù)

胸環(huán)靶位置不變，任意給激光筆的指示位置，打靶，液晶數(shù)字報(bào)靶，測(cè)量數(shù)據(jù)如下表：

表1 胸環(huán)靶位置不變的測(cè)量數(shù)據(jù)

激光束光斑從胸環(huán)靶上的指定位置迅速瞄準(zhǔn)并擊中靶心，測(cè)量數(shù)據(jù)如下表：

表2 迅速瞄準(zhǔn)并擊中靶心的測(cè)量數(shù)據(jù)

任意給環(huán)數(shù)，激光筆打到相應(yīng)位置，測(cè)量數(shù)據(jù)如下表：

表3 任意給環(huán)數(shù)，激光筆打到相應(yīng)位置的測(cè)量數(shù)據(jù)

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，胸環(huán)靶位置不變，任意給激光筆的指示位置，打靶，液晶數(shù)字報(bào)靶基本準(zhǔn)確，此外，經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)的拓展部分：在15S之內(nèi)，激光束光斑從胸環(huán)靶上的指定位置迅速瞄準(zhǔn)并擊中靶心。其他：任意給環(huán)數(shù)，激光筆打到相應(yīng)位置，相當(dāng)精確,并且能夠語(yǔ)音報(bào)靶。

[1] 劉建，秦會(huì)斌，黃博志等.激光打靶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2003年04期

[2] 顧敏芬，梁忠誠(chéng)，朱云等.基于激光打靶機(jī)的紅外光斑測(cè)量[J].光電子技術(shù)與信息，2000年04期