自循跡移動靶車控制系統的設計

徐曉霞

（西安工商學院，陜西西安，710200）

關鍵字：自循跡；靶車；AVR利用

0 引言

本文研究的是長約80cm、寬約60cm、高約50cm的自循跡移動靶車。在使用中為了防止被子彈損壞，自循跡移動靶車總重量超過160公斤，車身用厚度接近0.3m的鋼板制成，為了安全車身外側加上橡膠層防護。這樣一來自循跡移動靶車相當沉重，如果靶車在運行和靜止狀態轉化時需要克服強大的慣性作用。運行速度如果太快，可能會導致失控沖出路線或不能定點停位。所以靶車的移動速度應有一定的限制，保證靶車在定點停位時不會因慣性移動的的距離過大。綜合分析靶車自身的物理參數和驅動電機的相關參數，當靶車的移動速度低于2m/s時，停位距離在10cm的偏差范圍內都可認為靶車準確停位。本文研究的自循跡移動靶車控制系統，將適合于部隊、公安、武警部門以及一些特殊的訓練場所使用。

1 系統工作原理

針對傳統移動靶車軌道鋪設的不便，本文研究一種以攝像頭為信息采集模塊的色帶引導式自循跡移動靶車。該自循跡移動靶車控制系統包含有三個子模塊，分別是信息采集模塊，控制決策模塊及動力系統模塊。其中信息采集模塊由光電傳感器陣列組成，主要鎖定循跡靶車初始的位置；控制決策模塊利用PID算法實現靶車的穩定有序工作。動力系統模塊利用程序實現對直流電機PMW轉速的控制。具體實現過程：攝像頭采集靶車的當前信息，通過程序算法對信息分析和整合，得出最優路徑實現靶車自循跡功能。當路徑出錯時及時由動力系統模塊控制直流電機做出相應的補償。自循跡移動靶車控制系統可分為硬件電路和控制軟件兩部分。系統以主控芯片為核心，配套采集模塊、執行驅動機構以測速模塊組成了靶車控制系統的硬件結構；系統軟件主要是檢測道路信息并經過算法處理使執行機構能夠協調工作。

圖1 系統總體信息流圖

2 系統硬件設計

系統的硬件框圖主要包含電源管理模塊、調試模塊、圖像采集模塊、主機控制電路、電機驅動模塊、無線通信模塊和測試模塊。圖像采集模塊采用市場上成熟的C3008模塊來完成。OV6620CMOS攝像頭傳感器，不但行場同步中斷信號可以直接輸出，并且內部自動圖像增強,亮度、對比度、伽馬、飽和度、銳度、加窗等，對于圖像的識別十分有利，可使靶車適應于不同的應用環境。主機控制電路由Mega128最小系統構成，包括電源系統、存儲器系統、時鐘系統、復位及復位配置系統和調試測試接口，是整個控制系統的核心。因為Mega128可以直接驅動繼電器，內部的定時器采用相頻修正PWM模式，輸出高精度的PWM波形和準確的相位、頻率，同時內部含有大容量的程序存儲器，硬件接口電路多，所以電機調速控制大多采用它。電機驅動模塊采用的電機為帶有減速器的大功率直流有刷電機。由于普通的電機驅動器沒有換向裝置，所以在驅動器和電機之間利用兩個繼電器實現電機的換向功能。為了使電機能夠快速并安全的換向,控制換向的繼電器采用互鎖的連接方式。為了使靶車斷電時能夠及時停位，電機和繼電器的繞組串聯起來以形成回路,這樣當靶車到位停止運動時，慣性沖力會使電機發電，形成的反向電動勢會阻礙靶車的慣性移動，會使靶車的慣性沖力被自身所消耗。靶車和與上位機之間的信息交換是通過無線數據傳模塊實現，系統采用JZ862微功率無線數傳模塊，可以更快速、準確傳輸信息。同時采用兩節12V蓄電池為系統提供能量，選用了350W/24V，型號MY1016Z3的直流電機，以OV6620攝像頭模塊作為路徑信息采集元件。

圖2 硬件系統框圖

3 系統軟件設計

系統軟件可分為主程序和循跡模塊兩部分。系統的主程序包含采集接收上位機的移動指令、檢測電池用量以及監測目標點。工作流程如下：首先完成初始化功能，接著等待上位機命令。當系統檢測到當前點為目標點時系統不動做，反之進入while(1)循環，直到檢測出當前點和目標點一致時，退出循環并保持等待狀態。以此類推，系統最終都會停位在目標點上。主程序的流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統的循跡算法是在中斷程序中完成，包含有數據采集、圖像處理和PID電機控制系統等模塊。數據采集時用奇場，圖像處理時用偶場，圖像處理涵蓋濾波、二值化、圖像校正，經過分析處理，提取出引導線，調整靶車的運動方位，達到實時處理，最終實現自循跡。工作流程如下：首先靶車按照規定的路徑移動到目標位置，接著利用攝像頭靶車在任意時刻都清楚自己的位置，通過一定的算法實現下一步該如何動作。當靶車在移動的過程中出現偏離預定路線的狀況，通過中斷程序加以糾正，最終保證靶車順利回歸預定路徑。為了確保動力機構能夠根據路徑信息及時做出響應，整個循跡過程場在中斷中完成。循跡流程如圖4所示。

圖4 循跡流程圖

4 系統測試及分析

裝配好整個靶車，在實驗場地進行綜合調試，使靶車移動速度低于1.9m/s、“軌道”曲率小于0.26的情況下，靶車能夠接收上位機的命令按照預設軌跡前進、后退與定點停位。當靶車偏離預設軌跡時能夠自主糾偏并回到“軌道”上來；能夠顯示當前電源的電量，當電量不足時，蜂鳴器能夠報警,提醒人們及時給電池充電。具體操作如下：預先以一個很低的運行靶車速度運行直至給定目標點，接著再緩慢地提高靶車移動的速度運行至目標點，在此過程中觀測靶車在何種速度下會脫離引導線，進行多次重復操作，根據反饋結果調整控制算法，直到靶車可以在允許的誤差范圍內運行，并且運行循跡可靠，運行速度平穩為止。我們在規定的靶場環境下測試，得到靶車運行的測試數據，有用數據包含運動速度和路徑識別度等，同時利用程序把運行速度的極大值顯示出來并保存在RAM中。在測試長度26m、曲率小于0.26/m時，測試現場數據如表1。

表1 現場測試速度和停位誤差

分析測試數據可知，當自循跡靶車在直道移動時，速度可接近最高預設速度（2m/s），此時雖然停位誤差較大，但能夠保持在系統允許的誤差范圍（小于0.1m）內；在彎道移動時，雖然靶車的速度和停位誤差均隨引導線曲率的減小有所增加，但系統的可靠性與穩定性得到加強。總之，在系統要求的范圍內靶車能夠實現自循跡功能。

5 結論

基于傳統軌道式移動靶車的種種缺陷，本論文研究的是一種基于OV6620攝像頭的自循跡移動靶車控制系統。自循跡移動靶車采用無線遙控方式和無軌運動方式，不但可以實現直線、曲線等多向運動模式，還可以快速變更移動路線，具有靈活機動特性。同時，為了滿足多科目射擊的需求，根據訓練項目要求隨時需要調整靶機的距離用于滿足訓練項目的要求。所以它是進行常規及特種射擊訓練必備的現代射擊設備。