嵌入式坦克射擊訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邵思杰，劉全勝，林 海

(1.裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院訓(xùn)練部，北京100072)

單車(chē)射擊訓(xùn)練是裝甲機(jī)械化部隊(duì)專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的重要組成部分，是集單車(chē)指揮、武器操作、通信、駕駛于一體的綜合應(yīng)用訓(xùn)練。為規(guī)范訓(xùn)練，保證質(zhì)量，總參謀部頒發(fā)了《裝甲兵專(zhuān)業(yè)技術(shù)教范》(射擊專(zhuān)業(yè))，對(duì)訓(xùn)練的內(nèi)容、條件、組織、考核進(jìn)行了明確的規(guī)范?！督谭丁芬?guī)定的單車(chē)射擊方式有原地、短停、行進(jìn)間射擊3種，其中短停射擊應(yīng)用最為普遍。短停射擊動(dòng)作的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)反映在短停時(shí)間、躍進(jìn)距離和躍進(jìn)速度上，尤其短停時(shí)間既可反映射手的射擊技能，又可反映全車(chē)乘員的技術(shù)動(dòng)作和協(xié)同動(dòng)作。在坦克實(shí)彈射擊訓(xùn)練中，全車(chē)的成績(jī)是由坦克行駛過(guò)程的平均速度、總行駛時(shí)間、短停次數(shù)、每次短停時(shí)間及射彈命中數(shù)來(lái)綜合評(píng)定的。因此需要通過(guò)技術(shù)手段來(lái)自動(dòng)監(jiān)測(cè)坦克實(shí)彈射擊過(guò)程中運(yùn)動(dòng)參數(shù)，記錄考核過(guò)程中的時(shí)間、速度、距離等數(shù)據(jù)，以保證考核的公正性和客觀性。

目前，在單車(chē)射擊訓(xùn)練和考核時(shí)，采用人工方式僅對(duì)短停時(shí)間進(jìn)行記錄。由于射擊過(guò)程中揚(yáng)塵大，觀察距離遠(yuǎn)(為保證記時(shí)人員的安全)，手動(dòng)計(jì)時(shí)的誤差比較大，存在考核工作量大、主觀影響因素多、準(zhǔn)確度差等問(wèn)題，不能完全滿(mǎn)足部隊(duì)訓(xùn)練考評(píng)需求。

本文研究的嵌入式坦克射擊訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“系統(tǒng)”)采用傳感器及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坦克運(yùn)行狀況，以坦克進(jìn)入考核場(chǎng)地的時(shí)刻為相對(duì)初始時(shí)刻，以駛出考核場(chǎng)地的時(shí)刻為相對(duì)終止時(shí)刻，測(cè)量和記錄坦克的瞬時(shí)速度、短停時(shí)間、短停次數(shù)、總行駛時(shí)間、躍進(jìn)速度、躍進(jìn)時(shí)間等，并將上述結(jié)果以無(wú)線(xiàn)通訊的方式傳回后方指揮所，結(jié)合實(shí)彈射擊命中結(jié)果自動(dòng)給出射擊成績(jī)，實(shí)現(xiàn)了短停射擊訓(xùn)練成績(jī)的自動(dòng)評(píng)定。

1 系統(tǒng)組成及主要功能

系統(tǒng)組成如圖1所示，由標(biāo)志坦克進(jìn)、出考核場(chǎng)地的地面標(biāo)桿，車(chē)上嵌入式系統(tǒng)和終端處理3大部分組成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

地面標(biāo)桿部分安裝于底座上，分置于考核跑道的兩端，其上安裝的線(xiàn)激光發(fā)射器產(chǎn)生的線(xiàn)激光信號(hào)被車(chē)上嵌入式系統(tǒng)的光電傳感器接收，并以此信號(hào)作為坦克在考核場(chǎng)地行駛總時(shí)間計(jì)時(shí)的起、止信號(hào)。安裝于坦克側(cè)甲板上的霍爾傳感器探頭正對(duì)以圓周方式均勻分布在車(chē)輪上的磁鋼，車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一個(gè)磁鋼經(jīng)過(guò)探頭都會(huì)使霍爾傳感器輸出一個(gè)信號(hào)，從而反映坦克的運(yùn)動(dòng)狀態(tài):運(yùn)動(dòng)或停止。光電傳感器和霍爾傳感器的輸出信號(hào)輸入到AVR單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)處理運(yùn)算得到坦克的全部運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并由無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊傳送至終端處理部分的考核終端主機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理、分析與結(jié)果輸出。

系統(tǒng)具備如下功能:

1)自動(dòng)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確記錄坦克運(yùn)動(dòng)參數(shù);

2)具有數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸功能，傳輸距離不小于2 km;

3)不對(duì)坦克進(jìn)行改裝，適合多種車(chē)型;

4)適應(yīng)野外行車(chē)環(huán)境。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足不改裝坦克以及便于野外行車(chē)的需求，采用如圖2所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖中虛線(xiàn)所框部分為車(chē)上嵌入式系統(tǒng)，由坦克蓄電池供電。將單片機(jī)控制電路的PCB板及無(wú)線(xiàn)通信模塊置于控制盒內(nèi)，控制盒下端空心連桿內(nèi)放置磁鐵，安裝時(shí)只需將車(chē)上嵌入式系統(tǒng)吸附在履帶上方車(chē)體上。為了避免太陽(yáng)光對(duì)光電接收電路的影響，將光電接收電路的PCB板置于空心圓柱體內(nèi)，將正對(duì)光電三極管的圓柱體表面開(kāi)一細(xì)縫，組成光柵結(jié)構(gòu)。

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括光電接收電路設(shè)計(jì)、AVR單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和無(wú)線(xiàn)通信電路設(shè)計(jì)。

3.1 光電接收電路設(shè)計(jì)

光電傳感器選用光電三極管，采用并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)線(xiàn)“與”功能，呈直線(xiàn)布于PCB板上。通過(guò)PNP三極管9012來(lái)增大光接收的靈敏度。光電接收電路如圖3所示。

坦克經(jīng)過(guò)考核場(chǎng)地起點(diǎn)處地面標(biāo)桿時(shí)，只要有一個(gè)光電三極管接收到線(xiàn)激光器的信號(hào)，三極管Qi立即導(dǎo)通，LR端輸出低電平信號(hào)至單片機(jī)，此為計(jì)時(shí)開(kāi)始信號(hào)。同理，當(dāng)車(chē)體經(jīng)過(guò)跑道終點(diǎn)標(biāo)桿的線(xiàn)激光器時(shí)，LR再次輸出低電平信號(hào)至單片機(jī)，此信號(hào)為計(jì)時(shí)終止信號(hào)。因此，根據(jù)LR輸出信號(hào)，單片機(jī)系統(tǒng)可以計(jì)算出坦克行駛的總時(shí)間，實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)功能。

圖3 光電接收電路

3.2 AVR單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ATmega8是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器［1］。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)每秒百萬(wàn)條指令，從而可以緩解系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。另外，ATmega8的3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)時(shí)器(T/C)、片內(nèi)/外中斷以及可編程串行USART接口，可以方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)、速度計(jì)算以及通訊功能。表1為ATmega8的主要管腳分配。

表1 ATmega8管腳分配

3.3 無(wú)線(xiàn)通信電路設(shè)計(jì)

采用上海商銳電子的SRWF-1028通用透明傳輸模塊［2］。該模塊工作頻率可在 403、433、470、868、915 MHz中選擇，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)，該模塊提供8種可選信道，具有TTL、RS232、RS485三種接口方式。

本設(shè)計(jì)中，用于終端處理部分的無(wú)線(xiàn)通信模塊選用RS232接口方式直接和終端考核主機(jī)相連。用于車(chē)上測(cè)試部分的無(wú)線(xiàn)通信模塊選用TTL接口方式和AVR單片機(jī)Atmega8的TXD、RXD相連。由于系統(tǒng)利用坦克蓄電池供電，為了避免發(fā)電機(jī)啟動(dòng)、車(chē)載電臺(tái)工作、炮塔轉(zhuǎn)動(dòng)、武器使用等坦克負(fù)載變化對(duì)電源的強(qiáng)電流干擾，無(wú)線(xiàn)通信電路采用光電隔離措施，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 無(wú)線(xiàn)通信電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 測(cè)速、計(jì)時(shí)軟件

4.1.1 測(cè)速軟件設(shè)計(jì)

利用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)速時(shí)［3－5］，采用脈沖計(jì)數(shù)法:車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出坦克瞬時(shí)速度、短停時(shí)間、躍進(jìn)距離，通過(guò)串口模塊發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理。測(cè)速處理軟件流程如圖5所示。

圖5 測(cè)速軟件流程

圖2所示的磁鋼一共有10個(gè)，均勻地分布于主動(dòng)輪上，結(jié)合其到負(fù)重輪軸的距離，可以得出磁鋼間的距離，再除以所用的時(shí)間，從而得到坦克的瞬時(shí)行駛速度。坦克瞬時(shí)行駛速度低于某一設(shè)定值即認(rèn)為坦克處于短停狀態(tài)，到再次運(yùn)動(dòng)為止的時(shí)間為此次短停時(shí)間。躍進(jìn)距離由2次短停之間的時(shí)間乘以霍爾傳感器讀出的磁鋼個(gè)數(shù)，再乘以磁鋼間的距離計(jì)算得出。

4.1.2 計(jì)時(shí)軟件設(shè)計(jì)

坦克計(jì)時(shí)功能主要是利用光電傳感器接收坦克運(yùn)行過(guò)程中的起始標(biāo)桿和終止標(biāo)桿的激光信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)和終止計(jì)時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)間為坦克在射擊跑道上的用時(shí)。具體計(jì)時(shí)軟件流程如圖6所示。

圖6 計(jì)時(shí)軟件流程

4.2 系統(tǒng)上行通信協(xié)議

為了反映坦克行駛狀況以及為考核提供數(shù)據(jù)，嵌入式系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)向終端PC發(fā)送信息，上行通信協(xié)議如圖7所示。

圖7 嵌入式系統(tǒng)上行通信協(xié)議

通信數(shù)據(jù)包以0xFF后跟0xAA、0x55兩個(gè)字節(jié)為幀頭;以0xFF后跟0x55、0xAA兩個(gè)字節(jié)為幀尾。這種形式在噪聲中不易發(fā)生，因而接收協(xié)議只接收這種幀頭和幀尾的數(shù)據(jù)包。通過(guò)發(fā)送協(xié)議嵌入式系統(tǒng)將坦克的編號(hào)、計(jì)時(shí)器啟動(dòng)與停止?fàn)顩r、計(jì)時(shí)時(shí)間、瞬時(shí)速度以及平均速度等信息發(fā)送到終端PC機(jī)上，作為乘員控制坦克和乘員之間配合熟練程度的成績(jī)。

5 結(jié)論

以前坦克單車(chē)射擊訓(xùn)練時(shí)只能使用秒表人工計(jì)時(shí)，即對(duì)坦克在射擊跑道上的用時(shí)和短停時(shí)間進(jìn)行手動(dòng)計(jì)時(shí)。筆者設(shè)計(jì)的嵌入式坦克運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以在坦克行駛中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坦克運(yùn)行速度以及行駛時(shí)間、距離等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式發(fā)送到考核終端，提供考核數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單，拆卸方便、靈活，在野外行車(chē)環(huán)境下可靠性高，能夠不受強(qiáng)光照射、坦克行駛的揚(yáng)塵、坦克電源電壓波動(dòng)大等惡劣因素的影響。目前，此考評(píng)系統(tǒng)已在坦克實(shí)彈射擊訓(xùn)練中得到應(yīng)用，解決了坦克實(shí)彈射擊訓(xùn)練中的成績(jī)綜合評(píng)定問(wèn)題，提高了射擊訓(xùn)練的信息化水平。

［1］馬潮，詹衛(wèi)前，耿德根.ATmega8原理及應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2002.

［2］上海桑銳電子科技有限公司.SRWF-1028(V1.5)無(wú)線(xiàn)模型使用說(shuō)明書(shū)［EB/OL］.［2011-11-01］.http:∥www.51sunray.com

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