一種多功能無(wú)線自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任傳銘

（71702部隊(duì)，河南洛陽(yáng)，471600）

一種多功能無(wú)線自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任傳銘

（71702部隊(duì)，河南洛陽(yáng)，471600）

本設(shè)計(jì)基于制式配發(fā)的起倒靶機(jī)，進(jìn)行硬件升級(jí)和軟件開發(fā)。具有射擊模式設(shè)定、靶位分組設(shè)定、中靶倒靶控制、夜間射擊照明燈光控制、自動(dòng)報(bào)靶與近端顯示、成績(jī)統(tǒng)計(jì)及打印輸出等功能。

實(shí)彈射擊；自動(dòng)報(bào)靶；精度報(bào)靶；無(wú)線通信

0　引言

傳統(tǒng)的實(shí)彈射擊訓(xùn)練保障工作復(fù)雜，顯靶、隱靶、報(bào)靶、照明等主要依靠人工完成，存在時(shí)效性不高、安全隱患較大、人力資源浪費(fèi)和存在人為作弊等不足。雖然有些單位配發(fā)了自動(dòng)起倒靶機(jī)，提高了一些自動(dòng)化程度，但其功能仍比較簡(jiǎn)單，且不能實(shí)現(xiàn)精度報(bào)靶；而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上一些自動(dòng)報(bào)靶產(chǎn)品普遍存在成本高、精度差、系統(tǒng)復(fù)雜、場(chǎng)地要求高等問題。本文所設(shè)計(jì)的報(bào)靶系統(tǒng)基于上述自動(dòng)起倒靶機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造，能夠滿足多人多靶同時(shí)射擊的自動(dòng)報(bào)靶，大大提高了自動(dòng)化程度，從而減少了士兵的勞動(dòng)量，同時(shí)也能更靈活地設(shè)計(jì)訓(xùn)練內(nèi)容，方便地管理訓(xùn)練成績(jī)。

1　技術(shù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前研究應(yīng)用較多的實(shí)彈報(bào)靶系統(tǒng)根據(jù)工作原理主要分為四類：基于機(jī)器視覺與圖像處理類、基于光電陣列類、基于聲電傳感器類、基于分區(qū)導(dǎo)電靶類等。（1）基于機(jī)器視覺與圖像處理類：使用攝像頭對(duì)常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)靶靶面進(jìn)行圖像采集，通過圖像處理判定彈著點(diǎn)位置。這類報(bào)靶系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)適中，部分產(chǎn)品精度較高；缺點(diǎn)是對(duì)靶紙的要求就比較高，圖像處理算法復(fù)雜、運(yùn)算量大，通常使用有線通信傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，因而只能在室內(nèi)或固定場(chǎng)地使用。（2）基于光電陣列類：利用激光發(fā)射器和接收器在靶面形成大小、間距相等的激光網(wǎng)格，當(dāng)子彈穿過激光網(wǎng)格時(shí)，必將遮斷水平和垂直方向的若干條激光束，激光靶通過檢測(cè)被遮斷光束的位置得出彈著點(diǎn)。這類報(bào)靶系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)單，精度較高；缺點(diǎn)是需要很多的激光頭，電路復(fù)雜，且激光頭外框需要加固防護(hù)，重量較重，在野外訓(xùn)練中不是很實(shí)用。（3）基于聲電傳感器類：在一個(gè)矩形框架上裝有若干個(gè)聲電傳感器，彈頭從框架內(nèi)穿過時(shí)，沖擊空氣形成一個(gè)沖擊波向周圍擴(kuò)散，通過測(cè)量傳感器捕捉到該波的時(shí)間差及彈頭速度，進(jìn)行運(yùn)算處理，就可以確定彈頭穿過位置。該類型里研究比較多的是激波報(bào)靶。這類報(bào)靶系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品造價(jià)與設(shè)計(jì)復(fù)雜度適中，工作與光照條件無(wú)關(guān)；缺點(diǎn)是探測(cè)距離近，測(cè)量精度不高，對(duì)于風(fēng)速、風(fēng)向的影響需要進(jìn)行修正，傳感器外框需要加固防護(hù)，重量較重，不適合起倒。（4）基于分區(qū)導(dǎo)電靶類：這種靶面由兩片很薄的金屬導(dǎo)片（多采用金屬錫箔紙）組成，其中一塊金屬片是一完整的靶面（該金屬片接地），另一塊金屬片則把整個(gè)靶面分環(huán)劃分為上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8個(gè)區(qū)域（該層接高電平），當(dāng)子彈頭穿過靶面時(shí)，使所在區(qū)域的金屬片與另一金屬層短接，從而在相應(yīng)的引線上輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，通過分析達(dá)到檢靶的目的。這種報(bào)靶系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)適當(dāng)，信號(hào)采集與處理算法簡(jiǎn)單，不受風(fēng)和光照影響，且適用于起倒靶。缺點(diǎn)是依賴兩片錫箔靶紙，靶紙重復(fù)使用次數(shù)有限。通過以上對(duì)比分析，由于本系統(tǒng)是基于起倒靶的多功能自動(dòng)報(bào)靶設(shè)計(jì)，故采用分區(qū)導(dǎo)電靶方案。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由導(dǎo)電靶、起倒靶機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、通信終端、近端顯示單元、夜間照明器和電源等組成，采用“導(dǎo)電靶+起倒靶機(jī)+無(wú)線通信+控制計(jì)算機(jī)”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有發(fā)數(shù)或環(huán)數(shù)自動(dòng)報(bào)靶、射擊模式設(shè)定、靶位分組設(shè)定、中靶倒靶控制、夜間射擊照明燈光控制、自動(dòng)報(bào)靶與近端顯示、成績(jī)統(tǒng)計(jì)及打印輸出等功能。靶面采用制式配發(fā)的導(dǎo)電靶（頭靶、胸靶、身靶）或者用于精度射擊的改進(jìn)型精度靶（導(dǎo)電胸環(huán)靶），子彈擊穿靶面瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短促導(dǎo)通脈沖，通過導(dǎo)線進(jìn)入起倒靶機(jī)，靶機(jī)運(yùn)算控制單元通過信號(hào)處理得出射擊成績(jī)（發(fā)數(shù)或環(huán)數(shù)、方位），并通過無(wú)線通信模塊將成績(jī)編碼發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)和射手近端顯示單元；控制計(jì)算機(jī)通過串口連接無(wú)線終端，可以對(duì)靶機(jī)發(fā)送起倒模式設(shè)定、靶位分組、成績(jī)查詢等控制指令，靶機(jī)內(nèi)部控制單元根據(jù)接收到的指令執(zhí)行相應(yīng)操作。

2.1感應(yīng)靶設(shè)計(jì)

準(zhǔn)確檢測(cè)到中靶信號(hào)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)靶的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的靶面分制式配發(fā)的導(dǎo)電靶（頭靶、胸靶、身靶）和用于精度射擊的改進(jìn)型精度靶（導(dǎo)電胸環(huán)靶）兩種，其原理基本一致，即：靶面由泡沫板和內(nèi)部的導(dǎo)電層組成（如圖1a所示），子彈擊穿靶面瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短促導(dǎo)通脈沖，通過導(dǎo)線進(jìn)入起倒靶機(jī)，靶機(jī)運(yùn)算控制單元通過信號(hào)處理得出射擊成績(jī)（發(fā)數(shù)或環(huán)數(shù)、方位）。其中，精度靶是按照普通胸環(huán)靶樣式用絕緣材料分隔成不同的環(huán)位和方位區(qū)域（如圖1b所示）［10］，環(huán)位區(qū)分10環(huán)、9環(huán)、8環(huán)、7環(huán)、6環(huán)、5環(huán)，方位區(qū)分上、下、左、右、左上、左下、右上、右下，共區(qū)分33個(gè)區(qū)域，并由不同區(qū)域分別引出信號(hào)線。精度靶完整導(dǎo)電層在前，分區(qū)導(dǎo)電層在后，在其背部外表面再加一層縱橫引線，用于信號(hào)引出。彈頭直徑5.8mm，區(qū)域與區(qū)域間隔4mm，確保不會(huì)漏報(bào)。當(dāng)子彈擊穿靶面的瞬間，靶子導(dǎo)電層接通，此時(shí)在相應(yīng)區(qū)域的信號(hào)線上即可產(chǎn)生脈沖信號(hào)，靶子的6個(gè)環(huán)位和8個(gè)方位一共14個(gè)信號(hào)引線并行輸出。靶子導(dǎo)電層間隔為3mm，彈頭長(zhǎng)度為24mm，彈速為900m/s，則輸出的脈沖寬度約23μs。為了能準(zhǔn)確檢測(cè)，還必須對(duì)這些脈沖信號(hào)進(jìn)行濾波和整形處理。

圖1　導(dǎo)電靶結(jié)構(gòu)示意圖

2.2起倒靶機(jī)設(shè)計(jì)

靶機(jī)采用制式配發(fā)的起倒靶機(jī)，并根據(jù)設(shè)計(jì)需要對(duì)內(nèi)部運(yùn)算控制單元進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使之具備信號(hào)采集、成績(jī)分析、成績(jī)記錄、燈光驅(qū)動(dòng)、起倒驅(qū)動(dòng)、電量監(jiān)測(cè)和無(wú)線通信等功能。CPU采用Atmel公司的8位低功耗AVR微處理器ATmega16，工作頻率16MHz，有32個(gè)可編程的I/O口。波特率受無(wú)線通信電臺(tái)限制，并考慮到通信穩(wěn)定性，使用4800bps。結(jié)構(gòu)原理如圖2所示，中靶信號(hào)經(jīng)排線引入控制板，分別經(jīng)濾波、整形后進(jìn)入CPU，在CPU內(nèi)部分別進(jìn)行環(huán)數(shù)分析和方位分析（非精度射擊時(shí)只分析是否中靶），得出射擊成績(jī)并存儲(chǔ)記錄，而后采用串行通信方式經(jīng)無(wú)線電臺(tái)發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)和射手近端顯示單元。其中，環(huán)數(shù)分析考慮到“擊穿某一區(qū)域時(shí)也同時(shí)觸通經(jīng)過此處的內(nèi)環(huán)引線”這種情況采用“多通取低環(huán)”的策略，即：一次觸發(fā)多個(gè)環(huán)數(shù)時(shí)取較低的環(huán)數(shù)；考慮到“壓線算高環(huán)”的實(shí)際判分規(guī)則，靶面制作時(shí)每個(gè)環(huán)形導(dǎo)電層適當(dāng)外擴(kuò)3mm。同時(shí)，CPU還可根據(jù)計(jì)算機(jī)控制指令和設(shè)定模式，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成起倒動(dòng)作或驅(qū)動(dòng)照明燈光。夜間射擊訓(xùn)練時(shí)，通常一個(gè)靶機(jī)控制兩個(gè)燈光（燈光亮度可調(diào)），分別照射身靶和胸靶，靶面不起倒。

2.3計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

軟件使用Visual C++開發(fā)，具有串口設(shè)置、模式設(shè)置、靶位分組、成績(jī)統(tǒng)計(jì)等功能，共劃分菜單按鈕區(qū)、實(shí)時(shí)靶位顯示區(qū)和靶機(jī)控制區(qū)三部分。其中菜單按鈕區(qū)設(shè)有新建、打開、保存、另存、模式設(shè)置、串口開關(guān)、串口設(shè)置、成績(jī)擦除、全部顯靶、全部倒靶、靶機(jī)控制臺(tái)（開啟靶機(jī)控制區(qū)）、靶位設(shè)置、成績(jī)打印等功能按鈕；實(shí)時(shí)靶位顯示區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示各靶位當(dāng)前一發(fā)成績(jī)或總發(fā)數(shù)；靶機(jī)控制區(qū)可以指定當(dāng)前控制對(duì)象是全部靶機(jī)、分組靶機(jī)還是單個(gè)靶機(jī)，可設(shè)置中靶后是否起倒、成績(jī)是否即時(shí)反饋、所驅(qū)動(dòng)兩個(gè)燈光的亮度，可顯示模式執(zhí)行狀態(tài)（執(zhí)行中實(shí)時(shí)跑秒）、清除成績(jī)、靶機(jī)復(fù)位、掃描成績(jī)等。其中，掃描成績(jī)主要考慮到多人多靶同時(shí)射擊時(shí)的信道擁堵問題，容易導(dǎo)致上報(bào)成績(jī)接收不到的問題，可以在射擊完畢后要求靶機(jī)依次上報(bào)一遍成績(jī)，確保系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性。

3　結(jié)束語(yǔ)

該報(bào)靶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了射擊環(huán)數(shù)和方位在射擊位置的實(shí)時(shí)顯示和計(jì)算機(jī)監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)監(jiān)控，射擊中可統(tǒng)計(jì)個(gè)人及單位的單發(fā)成績(jī)和總體成績(jī)。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用驗(yàn)證，報(bào)靶精度為±1環(huán)，誤報(bào)率＜2%，漏報(bào)率＜1%；其設(shè)計(jì)科學(xué)、報(bào)靶準(zhǔn)確、功能豐富，適用于手槍、步槍、機(jī)槍等各式槍械的報(bào)靶，抗干擾能力強(qiáng)，適合野外使用，現(xiàn)已在多個(gè)部隊(duì)推廣使用，取得了良好的訓(xùn)練效益。

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任傳銘（1986.01-），性別：男，籍貫：山東省德州人，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），職稱：助理工程師，研究方向：電子與通信工程。

Design and implementation of a multi function wireless automatic target scoring system

Ren Chuanming
（71702 forces，Luoyang Henan，471600）

The design of standard allotment based on inverted target，upgrade the hardware and software development.The system has the functions of shooting mode setting，target setting，target target control，night shooting and lighting control，automatic target reporting and near end display，result statistics and print output.

firing；automatic scoring；precision target；wireless communication

圖2　靶機(jī)運(yùn)算控制單元原理圖