精確制導的激光槍射擊裝置設計

常亦迪, 李玉東, 李香來, 常 虹

(1.長春理工大學 電子信息工程學院,長春 130022;2.內(nèi)蒙古大學 物理科學與技術學院,呼和浩特 010021)

精確制導的激光槍射擊裝置設計

常亦迪1, 李玉東1, 李香來1, 常 虹2

(1.長春理工大學 電子信息工程學院,長春 130022;2.內(nèi)蒙古大學 物理科學與技術學院,呼和浩特 010021)

模擬激光制導設計了具有快速響應、精確度高的激光槍射擊裝置。采用STM32為主控制器，由激光發(fā)射模塊、電源模塊、彈著點位移控制模塊、圖像采集與處理模塊、語音播報環(huán)數(shù)模塊等主要模塊組成的電路系統(tǒng)。激光槍頭方向通過2個舵機控制，即類似于云臺的方法，實現(xiàn)激光槍彈著點在靶紙上的上下、左右移動，精確控制彈著點位置。通過攝像頭采集激光點擊中胸環(huán)靶的位置信息；通過單片機計算光點位置，在上位機上顯示激光點環(huán)數(shù)、方位數(shù)據(jù)和胸環(huán)靶圖形，并進行語音播報彈著點環(huán)數(shù)與方位信息。經(jīng)測試，該裝置可以用串口發(fā)送控制激光槍的彈著點，能自動瞄準并擊中靶心，也可以根據(jù)設定的環(huán)數(shù)自動控制激光槍瞄準，實現(xiàn)擊中胸環(huán)靶上相應環(huán)位置。

STM32； 攝像頭； 舵機； 數(shù)據(jù)處理

0 引 言

激光制導技術在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中受到了越來越多的關注。激光制導通過用激光目標指示器對準目標發(fā)射激光束，“尋的器”安裝在攻擊性彈頭前端，捕獲目標表面漫反射回來的激光，起到控制和導引彈頭對目標進行奔襲，直至擊中目標并將目標炸掉的目的。在大學生設計實驗中，引入激光槍射擊裝置設計，模擬激光制導中的控制和牽引彈頭對目標進行奔襲，直至擊中目標并用攝像頭采集信息進行實時反饋[1-5]。本文對精準定位目標靶位置進行了理論分析，提出總體設計及各個目標模塊設計的可行性方案。綜合考慮了軟硬件的設計要求，確定選擇激光控制電機[6]、攝像頭模塊選擇和算法設計[7-8]和控制器，最終達到命中精度達到4 mm，可控性達到100%，實現(xiàn)自動尋找靶心并擊中目標靶心的功能。因攝像頭對光線的影響較大，所以需要自行運用VC++編寫上位機代碼，進而改善二值化的閥值，降低光線明暗的影響[9]。

1 方案比較選擇

1.1 舵機選擇

舵機的主要作用是調(diào)整激光筆的位置，指向點光源，可選取如下方案：①步進電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響。每給一次脈沖信號，電機能夠轉過一個步距角。②直流減速電機[10]。此電機在正常通電狀態(tài)下，轉速平穩(wěn)，角度的變化也近乎連續(xù)，控制簡單方便。③舵機。此電機由PWM的占空比來控制轉動角度。角度準確，控制簡單。

根據(jù)設計的要求可知，步進電機存在的明顯缺陷是角度變化為步進式，精確性比較差，控制也相對復雜。直流減速電機角度連續(xù)變化，轉速平穩(wěn)，容易控制是比較好的選擇[11]。進一步地，舵機集各個優(yōu)點于一體，精確性較高，容易控制，因而本文選用方案③。

1.2 攝像頭模塊選擇

本系統(tǒng)中攝像頭作為唯一的傳感信息采集單元，經(jīng)攝像頭采集靶面的圖像，通過單片機對靶面圖像進行處理運算，自動識別目標位置，并進行相關的自動操作，從而實現(xiàn)題目中所要求的功能。本系統(tǒng)采用的數(shù)字處理系統(tǒng)，因此需要獲得數(shù)字圖像。方案①：模擬攝像頭。輸出為模擬視頻信號，若需對所獲得的圖像信號進行數(shù)字信號處理，則需經(jīng)過圖像采集卡將模擬視頻信號轉換為數(shù)字視頻信號，并加以壓縮后才可以傳輸給計算機進行處理運用。若使用模擬攝像頭，系統(tǒng)的結構則比較復雜，且模擬視頻信號轉換為數(shù)字信號，AD芯片需要非常高的轉換速度，處理器也需要非常高的性能。方案②：數(shù)字攝像頭。數(shù)字攝像頭可以直接獲得數(shù)字視頻信號，然后通過串、并口，將數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)傳輸給計算機等處理器進行處理運用。使用數(shù)字攝像頭，系統(tǒng)的硬件結構簡單，且采集數(shù)字圖像比較簡捷。

綜合考慮選擇方案②，采用數(shù)字攝像頭AV316S,高性能的單一小體積封裝，且價格便宜，易于購買，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。

1.3 控制器選擇

方案①：采用STC89C51單片機作為控制器[12]。STC89C51單片機為即插型可編程器件，編程方便。為了滿足激光槍射擊裝置要求，需要按鍵模塊，舵機模塊，音頻模塊，電源供電模塊，功放模塊等需要很多端口，而STC89C51單片機引腳過少，處理速度也不夠迅速，所以這款單片機不滿足要求。

方案②：采用可編程器件CPLD作為控制器[13]。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度小、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富，易于進行功能拓展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的核心，但是功耗大價格也相當昂貴。

方案③：采用STM32單片機作為控制器，STM32為32位處理器數(shù)據(jù)處理能力比普通單片機更強，并且最高可達到12 MHz的主頻，處理速度極快，端口資源十分豐富，價格便宜，適合作為一個自動控制系統(tǒng)的控制器[14-15]。

根據(jù)激光槍射擊裝置要求以及實際情況，選用方案③。

1.4 音頻電路選擇

選用ISD1720芯片，因為ISD1720芯片為常見音頻芯片，價格便宜，易于購買，且自帶存儲與播放功能，能滿足要求，所以采用ISD1720芯片[16]。

2 理論分析與計算

2.1 激光點運動軌跡分析

在胸環(huán)靶面上建立一個直角坐標系，根據(jù)勻速直線運動公式S=vt，激光點從任一點到達指定點，它的位移等于x、y方向的和位移，由此可知

通過運動路徑分析(見圖1)，只要分別滿足了x、y方向的位移，則它的運動軌跡即和位移也就確定了，就可達到任一點移動要求。

圖1 運動路徑分析

2.2 打靶精度分析

如圖2所示，抽象出激光打靶的數(shù)學模型。對于同心圓，在水平方向和豎直方向所需要的位移量是相等的，即控制激光點水平和豎直移動所需要的位移量精度是相等的。

根據(jù)自主選擇的胸環(huán)靶以及設計要求可知：L=309 cm,H=50 cm,L2≤5 cm,L3≤5 cm,

圖2 激光打靶模式數(shù)學模型

L3=L·tan(β+arctan(H/L))-H

根據(jù)數(shù)學模型推導如下：

式中:L為激光點距胸環(huán)靶水平距離;H為胸環(huán)靶中心距地面垂直距離;α為激光點在胸環(huán)靶上最小水平移動距離對應移動角;β為激光點在胸環(huán)靶上最小豎直移動距離對應移動角。

3 系統(tǒng)設計

3.1 總體設計

整個設計如圖3所示，以STM32為核心，產(chǎn)生PWM波控制舵機，通過矩陣鍵盤操作來實現(xiàn)舵機的上/下左右移動，通過VC++程序操作攝像頭模塊進行圖像信息采集，經(jīng)過分析處理后在電腦顯示端播放，同時播放語音提示。

圖3 整體系統(tǒng)框圖

3.2 硬件電路的設計

3.2.1 單片機及外圍接口電路設計

如圖4所示，兩個舵機接STM32的PTA8和PTC62個引腳，鍵盤PTC5，PTA15，PTB5，PTB6，PTB7，PTB8，5個引腳，語音模塊接PTB0，PTB10，PTB11，PTB12，PTB13，PTB14，PTB15這6個引腳，激光筆接PD2引腳。

圖4 單片機引腳圖

3.2.2 激光驅動電路設計

如圖5所示，利用三極管的開關特性，使用STM32引腳復用功能，復用LED端口，用軟件編程高低電平的變化，對激光筆的開關進行控制。低電平時，激光筆通路，并用編程控制激光筆的開啟時間。

3.2.3 語音模塊設計

運用軟件控制，使用VC++調(diào)用音頻文件效果比硬件連接電路使用ISD1720效果好，所以采用軟件控制來達到更好的音頻播放功能。386D音頻功率放大器主要應用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。當在1腳和8腳之間增加一只外接的電阻和電容，電壓增益調(diào)為最高到200，并且電壓增益可在此限度內(nèi)任意可調(diào)。輸入端以地為參考，并且輸出端被自動偏置到電源電壓的一半。在6 V電源電壓下，其靜態(tài)功耗僅為24 mW，這使得386D特別適合于電池供電。具體電路圖如圖6所示。

圖5 激光筆電路

圖6 音頻功率放大器

3.2.4 電源模塊設計

根據(jù)舵機參數(shù)，要求舵機在工作范圍之內(nèi)進行穩(wěn)定工作。設計一個220 V轉5 V電路來給舵機供電，單片機接3.3 V供電。語音播放電路接5 V供電。由于電源電路模塊比較簡單，這里就不加以敘述了。

3.3 軟件程序設計

程序流程圖如圖7所示，通過STM32產(chǎn)生PWM波占空比的變化來精確驅動舵機，矩陣鍵盤調(diào)節(jié)舵機上下左右移動和激光束的開啟，VC++程序自行編寫一個上位機并對圖像進行軟件二值化處理，對提取到的數(shù)據(jù)進行處理從而控制語音播報環(huán)數(shù)信息，通過電腦端呈現(xiàn)圖像。

圖7 主程序流程圖(x是目標環(huán)數(shù))

4 測試方案與測試結果

4.1 測試儀器及軟件

測試儀器：示波器RIGOL DS5102M，數(shù)字萬用表UT60G，卷尺5 m,直尺30 cm。采用數(shù)字萬用表和示波器，對電路板連接情況和單片機PWM波形進行測試。

通過Multism和Proteus分別對模擬電路和單片機進行仿真，用KILL進行STM32的編程，用VC++開源攝像頭上位機代碼進行圖像數(shù)據(jù)處理。

4.2 測試結果

(1) 鍵盤控制激光槍彈著點。測試方法：實際測試中，采用可調(diào)焦激光模組，胸環(huán)靶上光斑直徑約為4 mm，用直尺測量胸環(huán)靶上光斑直徑，完全可調(diào)節(jié)到<5 mm，滿足射擊的要求。按下鍵盤上S1、S2、S3、S4 4個按鍵，通過兩個舵機可控制激光筆上、下、左、右轉動一定角度，實現(xiàn)立體移動。按下S5鍵，控制激光槍發(fā)射激光束，然后分別按下S1、S2、S3、S4 4個按鍵，觀察彈著點的移動方向，實現(xiàn)彈著點的移動，響應速度較快，精確度高。

(2) 攝像頭識別射擊環(huán)數(shù)及方位。測試方法：按下S1鍵完成測試(1)。同時，指定射擊環(huán)數(shù)，控制激光筆移動到指定位置，實現(xiàn)射擊。電腦采集圖像，顯示彈著點環(huán)數(shù)及方位，記錄實際值和測量值，填入表1并進行誤差對比。

表1 攝像頭識別彈著點環(huán)數(shù)及方位

由表1可以看出，在實驗允許誤差范圍內(nèi)，系統(tǒng)能正確識別并顯示彈著點環(huán)數(shù)及方位信息。

(3) 光斑從胸環(huán)靶指定位置迅速瞄準擊中靶心。測試方法：按下S5鍵控制激光槍發(fā)射激光束，鍵盤控制激光束光斑于胸環(huán)靶上一定位置，然后電腦控制串口通信實現(xiàn)擊中靶心精確定位，記錄到表2。

由表2可以看出，完全符合理論分析。

(4) 根據(jù)激光槍根據(jù)設定環(huán)數(shù)瞄準相應位置。測試方法：利用串口向電腦發(fā)送環(huán)數(shù)命令，看激光槍是否能瞄準胸環(huán)靶上相應位置，記錄設定環(huán)數(shù)和實際瞄準環(huán)數(shù)列于表3。

表2 光斑從胸環(huán)靶制定位置迅速瞄準擊中靶心

表3 激光槍根據(jù)設定環(huán)數(shù)瞄準相應位置

由表3可以看出，在誤差允許范圍內(nèi)，根據(jù)設定環(huán)數(shù)，激光槍能瞄準擊中胸環(huán)靶上相應位置，及滿足測試要求(3)。

5 結 語

系統(tǒng)完整實現(xiàn)了激光槍精確射擊的要求，胸環(huán)靶上彈著點直徑最小可達可4 mm。激光槍在鍵盤控制下，可上、下、左、右移動靶紙上彈著點位置，攝像頭能準確識別彈著點方位，并通過液晶顯示環(huán)數(shù)及方位。一方面，激光槍根據(jù)設定環(huán)數(shù)，實現(xiàn)瞄準射擊相應位置。進一步實現(xiàn)自動瞄準功能，光斑能夠從胸環(huán)靶指定位置，迅速瞄準擊中靶心。通過以上測試，本次設計采用模塊化的硬件和軟件設計，選取合適的控制算法，成功地實現(xiàn)了激光彈著點環(huán)數(shù)和方位的查找，通過二維平移架控制靶面激光點的水平和豎直方向的平移，進而實現(xiàn)自動中心打靶和自動定位打靶的功能。

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Design of Laser Gun Shooting Device with Precise Guidance Technique

CHANGYidi1,LIYudong1,LIXianglai1,CHANGHong2

(1. College of Electronical and Information Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China; 2. School of Physics Science and Technology, Inner Mongolia University, Hohhot 010021, China)

We designed a laser shooting system with rapid response and high precision. The system is composed of laser shooting module, power module, impact displacement control module, image acquisition and processing module, voice broadcasting module, etc. Digital USB camera is used as the image acquisition and processing module is used to detect the target position on the chest round target. The control system is designed based on single chip Microcomputer STM32. It controls 2 steering gears as a cradle head, which move the laser gun up, down, left or right, such that the impact point of the laser gun can be further accurately controled. In this design, with the image obtained by image acquisition and processing module, the light spot is quickly focused on the target, and images of the impact are collected for the voice and video ring number and the azimuth. According to the set position, the system rapidly aims at the bull’s-eye at corresponding ring number, and the system also fulfills other requirements of the subject.

STM32; camera; steering gear; data processing

2016-08-29

常亦迪(1997-)，男，吉林鎮(zhèn)賚人，本科生，專業(yè)電子信息工程。Tel.: 18843629773；E-mail: 2419866146@qq.com

常 虹(1975-)，女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，副教授，專業(yè)凝聚態(tài)物理方向。Tel.: 13654885045；E-mail: 1832350745@qq.com

TP 368.1

A

1006-7167(2017)06-0088-05