激光槍自動射擊系統(tǒng)的研究

黃麗華 高 越

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，江蘇 南京 210031)

1 系統(tǒng)方案

1.1 基本方案描述

本裝置由兩部分構(gòu)成：激光打靶部分和圖像采集部分。

激光打靶：利用ULN2003驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，通過單片機(jī)控制兩個步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動激光筆上下，左右移動打靶。靶面圖像由數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620采集后經(jīng)單片機(jī)處理，將結(jié)果顯示在1602上。同時采用紅外線遙控裝置(代替了鍵盤)進(jìn)行打靶控制和模式轉(zhuǎn)換。

圖一 激光打靶示意圖

圖像采集：靶面圖像由數(shù)字?jǐn)z像頭OV7620采集后經(jīng)另一片MSP430F149處理，將結(jié)果顯示在1602上。

圖二 圖像采集示意圖

1.2 各模塊方案的比較與選擇

(1)控制模塊。采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)為主控制芯片，該芯片有非常豐富的資源：6個8位并行口，其中兩個有中斷功能，12位的ADC，強(qiáng)大的定時器，精密的比較器，大容量的RAM和ROM，可存儲大容量的程序。

(2)電機(jī)模塊。選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動模塊，步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的機(jī)電組件，它的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速分別取決于脈沖信號的數(shù)量和頻率。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使使得它可以達(dá)到很高的控制精度，且控制難度要比直流電機(jī)小得多。

(3)電機(jī)驅(qū)動模塊。選擇ULN2003作為電機(jī)驅(qū)動模塊，ULN2003為極電極開路驅(qū)動芯片，配合步進(jìn)電機(jī)使用。并且ULN2003的價格與常用的L298H相比較低。

(4)紅外線接收及LCD交互模塊。顯示模塊采用液晶1602，采用并口方式傳輸，簡化軟件設(shè)計，同時價格低廉。紅外線接收裝置采用VS1838，通過遙控器操控進(jìn)行功能選擇和激光筆的打靶控制。

(5)攝像頭選擇。攝像頭選用OV7620，OV7620的是一個高度集成的高分辨率(640x480)的隔行/逐行掃描CMOS數(shù)碼彩色/黑白攝像機(jī)芯片。數(shù)字視頻端口支持60HZ的YCrCb4：2：2，16位/8位格式，ZV端口輸出格式，RGB原始數(shù)據(jù)16Bit/8Bit輸出格式和CCIR601/CCIR656格式。內(nèi)置串行相機(jī)控制總線(SCCB的)接口提供了一種簡單的方法控制內(nèi)置攝像頭功能。

2 理論分析與計算

2.1 射擊位控制電路分析、計算

本設(shè)計中采用的是兩個同種型號的四相步進(jìn)電機(jī)，分別控制檢測模塊在水平方向和豎直方向上的旋轉(zhuǎn)。由于步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合，需要加上減速裝置來細(xì)分步數(shù)以提高定位精度并減少噪聲。電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)(脈沖數(shù))和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系，因此要想控制旋轉(zhuǎn)的位置和速度必須先算出步進(jìn)電機(jī)的步距角。步距角的算法如下：

當(dāng)函數(shù)參數(shù)為2040時步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)4圈，則參數(shù)為1時步距角為

2.2 靶位檢測電路分析、計算

由于MSP430F149的RAM過小，加之其主頻最多8M，最終選擇提取12*12的圖像，首先通過串口調(diào)試攝像頭。測得距靶的最優(yōu)距離大約40厘米左右。同時測得紅外線點(diǎn)的灰度值為所有點(diǎn)的最大值，中心的黑膠帶灰度值為最小值。然后根據(jù)此灰度值計算出兩點(diǎn)在數(shù)組中的位置，再根據(jù)40厘米的比例即可推算出環(huán)數(shù)及方位信息。

3 電路與程序設(shè)計

該部分主要由胸環(huán)靶的檢測方法與程序設(shè)計及射擊位的控制方法與程序設(shè)計組成，利用標(biāo)準(zhǔn)C編程，簡單易懂。

4 測試結(jié)果及誤差分析

4.1 彈著點(diǎn)檢測

測試方法：通過攝像頭識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。

誤差分析：外界光線及距離誤差干擾。

4.2 10環(huán)打靶

測試方法：自動控制激光槍，在15秒內(nèi)將激光束光斑從胸環(huán)靶上的指定位置迅速瞄準(zhǔn)擊中靶心(即10環(huán)區(qū)域)。

4.3 任意環(huán)數(shù)打靶

測試方法：可根據(jù)任意設(shè)定的環(huán)數(shù)，控制激光槍瞄準(zhǔn)擊中胸環(huán)靶上相應(yīng)位置。

實(shí)驗結(jié)果：由于內(nèi)建坐標(biāo)系，做到了精確置位。

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實(shí)驗結(jié)果：由于內(nèi)建虛擬坐標(biāo)，做到了超精確定位。

［1］董磊.基于MSP430F169的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng).吉林大學(xué)學(xué)報［J］(信息科學(xué)版)，2011.06

［2］華成英.《模擬電子技術(shù)基本教程》.清華大學(xué)出版社.2006

［3］謝楷.《MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計與實(shí)踐》.機(jī)械工業(yè)出版社［J］2009.7

［4］OV7620數(shù)據(jù)手冊