激光槍自動(dòng)射擊裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

譚 洪，鄧彬偉，溫沐陽，王傳呈

(湖北理工學(xué)院電氣與電子信息工程學(xué)院，湖北 黃石 435003)

1 引言

研制激光打靶射擊訓(xùn)練器并裝備到連隊(duì)，對于減少國防開支，提高軍事訓(xùn)練水平，實(shí)現(xiàn)國防現(xiàn)代化，軍事訓(xùn)練智能化等均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，新兵射擊訓(xùn)練主要分為瞄準(zhǔn)和實(shí)彈射擊兩個(gè)部分，瞄準(zhǔn)訓(xùn)練的周期較長，實(shí)彈射擊由于受到場地和條件的限制，訓(xùn)練組織工作量大，牽扯到場地、警戒、安全等諸多環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)模擬打靶射擊系統(tǒng)復(fù)雜度高且不便攜，故該系統(tǒng)采用了無線傳輸?shù)姆绞剑梢詽M足各種訓(xùn)練場地的需求，使得系統(tǒng)更加靈活、便攜[2－3]。然而，傳統(tǒng)無線激光打靶系統(tǒng)一般采用光電探測器來接收激光槍發(fā)出的模擬子彈，系統(tǒng)復(fù)雜且精度不高，而本系統(tǒng)由CMOS圖像傳感器來代替光電探測器，能夠有效的減小系統(tǒng)的復(fù)雜性，增加測量精度[4]。為此設(shè)計(jì)了一種激光槍自動(dòng)射擊裝置，為成功解決上述問題提供了新的思路和方案，它具有安全、簡便、射擊精度高、彈著點(diǎn)實(shí)時(shí)顯示等功能。

筆者介紹了一個(gè)激光槍自動(dòng)射擊裝置，通過控制激光槍打在靶面的目標(biāo)位置，通過攝像頭視頻處理技術(shù)，將靶面信息采集并處理，由無線發(fā)送接收模塊發(fā)給遠(yuǎn)處的主機(jī)，然后由主機(jī)控制語音模塊進(jìn)行語音報(bào)靶并通過液晶模擬顯示靶面的信息，從而實(shí)現(xiàn)激光槍的自動(dòng)射擊和報(bào)靶功能。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由兩個(gè)MSP430F149控制模塊，CC2500無線發(fā)射接收模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，矩陣按鍵模塊，OV7670帶FIFO的模組攝像頭的圖像信息采集模塊，LCD240×128液晶顯示模塊，以及相應(yīng)的外圍電路組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2.2 設(shè)計(jì)方案論證

2.2.1 電機(jī)方案選擇

普通直流電機(jī)難以用單片機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)到準(zhǔn)確的角度，且動(dòng)力不夠強(qiáng)，容易產(chǎn)生噪聲而影響壽命，難以滿足要求。舵機(jī)對控制死區(qū)敏感，輸入信號(hào)和反饋信號(hào)的波動(dòng)，差值超出范圍，容易產(chǎn)生抖舵。所以采用步進(jìn)電機(jī)和細(xì)分器實(shí)現(xiàn)，步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，經(jīng)細(xì)分器64細(xì)分后步距角為0.028°，能實(shí)現(xiàn)精確定位，此外細(xì)分可以改善電機(jī)低速時(shí)候的顫動(dòng)，降低電機(jī)的運(yùn)行噪音且容易通過單片機(jī)控制。

2.2.2 圖片信息采集方案選擇

傳統(tǒng)的模擬激光打靶系統(tǒng)一般采用CCD圖像采集識(shí)別，但其硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量和運(yùn)算量很大。本系統(tǒng)采用OV7670C高清晰CMOS模組攝像頭，OV7670C具有體積小，工作電壓低，功耗低，靈敏度高，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，易操作。

2.2.3 無線收發(fā)方案選擇

采用CC2500無線發(fā)射接收模塊，CC2500為2.4G無限社評通信模塊，具有體積小，靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且芯片內(nèi)自帶頻率合成器，不需要外部濾波器或RF轉(zhuǎn)換，能有效的減少外部元器件。

2.2.4 液晶顯示模塊

采用LCD240×128液晶顯示。LCD240×128和LCD12864相似，也具有8位并行和串行數(shù)據(jù)傳輸，控制簡單，操作方便且具有240×128的分辨率。

2.2.5 語音模塊

采用 ISD4004語音模塊，ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。

3 理論分析與計(jì)算

3.1 靶場搭建尺寸設(shè)計(jì)

靶場設(shè)計(jì)如圖2所示。靶場采用長方體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，便于攝像頭的固定。

3.2 激光槍自動(dòng)控制原理

激光槍由單片機(jī)通過三極管控制其開關(guān)，由兩個(gè)42步進(jìn)電機(jī)組成的二維轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)來控制激光槍所打的位置。步進(jìn)電機(jī)是由THB6128步進(jìn)電機(jī)細(xì)分器驅(qū)動(dòng)的，42步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，經(jīng)細(xì)分器64細(xì)分后步距角為0.028°，可實(shí)現(xiàn)激光槍精確打靶。

圖2 靶場設(shè)計(jì)尺寸圖

3.3 彈著點(diǎn)檢測原理與計(jì)算

激光的亮度在數(shù)據(jù)采集中的是最高的，其像素值在0XE0以上，所以采集到這個(gè)數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是激光的數(shù)據(jù)，將所有激光點(diǎn)的(X，Y)數(shù)據(jù)分別相加再除以捕獲到的總激光點(diǎn)個(gè)數(shù)，得到激光的精確的定位絕對坐標(biāo)，利用了求平均值法。

如圖3所示。以固定在胸環(huán)靶四周的四個(gè)黑點(diǎn)來定位，這4個(gè)黑點(diǎn)的灰度值為0×30以下的數(shù)據(jù)，分別采集這4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)靶子的偏移量算出實(shí)際靶子和這4個(gè)點(diǎn)的相對位置得到修正后的靶子的精確絕對坐標(biāo)，靶子上下左右斷點(diǎn)的(X，Y)坐標(biāo)。相對坐標(biāo)為主機(jī)屏幕使用的坐標(biāo)，它的長寬分別為120×120，采集到的絕對坐標(biāo)系為240×240，然后在絕對坐標(biāo)中采集到的靶子的上下左右端點(diǎn)的坐標(biāo)。以絕對X坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對X坐標(biāo)為例，利用比例法改變:X=((X－靶子左端點(diǎn)X坐標(biāo))×120)/(靶子右端點(diǎn)X坐標(biāo)－靶子左端點(diǎn)X坐標(biāo))。

圖3 胸環(huán)靶與液晶顯示比例運(yùn)算模型

4 電路與程序設(shè)計(jì)

4.1 總體電路設(shè)計(jì)

總體電路設(shè)計(jì)如圖4、5所示。它包括電源模塊、OV7670圖像采集模塊、CC2500無線模塊、控制與顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)模塊和鍵盤輸入模塊。

4.2 軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)軟件由一個(gè)菜單模塊構(gòu)架，使用大屏幕和矩陣鍵盤作為人機(jī)交互界面。在不同的菜單下可運(yùn)行相互獨(dú)立的多種功能，使得軟件結(jié)構(gòu)分明。攝像頭探測靶環(huán)部分主要由按鍵控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光點(diǎn)打在靶環(huán)上某處(或脫靶)，再使用采樣按鍵，便會(huì)將采樣模塊傳來的信息進(jìn)行處理，并更新屏幕上的信息，同時(shí)語音模塊報(bào)出靶環(huán)及相對位置。激光點(diǎn)打靶部分，可使用按鍵選擇目標(biāo)環(huán)數(shù)與區(qū)域，再通過按鍵開啟打靶，電機(jī)將受到攝像頭采樣的反饋，進(jìn)行比例運(yùn)算，多次轉(zhuǎn)動(dòng)固定步數(shù)，投射到相應(yīng)區(qū)域。程序流程圖見圖6。

圖4 主機(jī)控制電路

圖5 從機(jī)控制電路

5 測試方案與測試結(jié)果

在激光槍與胸環(huán)靶間距離為10m的地點(diǎn)用受電路控制的激光槍發(fā)射直徑小于5mm的激光束，激光束照射于胸環(huán)靶上彈著點(diǎn)位置可通過矩陣按鍵任意移動(dòng)改變，彈著點(diǎn)所在的環(huán)數(shù)、方位可通過LCD液晶顯示并用語音播報(bào)。手動(dòng)調(diào)節(jié)彈著點(diǎn)到任意位置，可迅速瞄準(zhǔn)靶心。彈著點(diǎn)在任意初始位置，通過矩陣按鍵設(shè)置任意指定的環(huán)數(shù)和方位，也可迅速到達(dá)指定位置。

5.1 測試結(jié)果及分析

測量結(jié)果表明能手動(dòng)任意改變彈著點(diǎn)的位置，并在LCD240×128液晶上準(zhǔn)確顯示胸環(huán)靶的圖形以及彈著點(diǎn)所在環(huán)數(shù)和方位，并通過語音播報(bào);自動(dòng)控制激光槍，在5s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，可根據(jù)任意設(shè)定的環(huán)數(shù)和方位，控制激光槍瞄準(zhǔn)擊中胸環(huán)靶上相應(yīng)位置，并且可以設(shè)定任意坐標(biāo)位置，控制激光槍快速定位到指定坐標(biāo)處。

圖6 程序流程圖

6 總結(jié)

本系統(tǒng)采用攝像頭與胸環(huán)靶間距可調(diào)可固定，增加系統(tǒng)的靈活性，可靠性;并采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，精度高，電機(jī)抖動(dòng)小，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大增強(qiáng)，并提供人性化的人機(jī)交互節(jié)目，采用自動(dòng)語音播報(bào)，使測試變得更加方便易行。

[1]李 廣.模擬實(shí)彈激光打靶訓(xùn)練器的設(shè)計(jì)[D].重慶:重慶大學(xué):2005.

[2]趙 苗.激光模擬打靶訓(xùn)練系統(tǒng)的研究[D].南昌:南昌大學(xué)，2007.

[3]閆瑞杰，何小剛，柴婷婷.新型無線激光打靶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(1):104－107.

[4]余 劍.基于CMOS圖像傳感器的激光射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究[D].南京:南京理工大學(xué)，2005.