無線遙控靶機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

任李

摘要：為解決目前通用射擊訓(xùn)練靶機(jī)無法模擬相對位置關(guān)系和運(yùn)動，設(shè)計(jì)提出一種無線遙控靶機(jī)系統(tǒng)方案，分別從硬件和軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，模擬真實(shí)射擊環(huán)境，使訓(xùn)練更具靈活性和針對性。

關(guān)鍵詞：無線遙控；靶機(jī)；軟硬件

中圖分類號： G462 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：1009-3044（2017）34-0203-02

1 概述

射擊訓(xùn)練中，多使用固定靶機(jī)，這種靶機(jī)不能夠運(yùn)動或只能簡單運(yùn)動，模擬人的真實(shí)運(yùn)動性能較差，使受訓(xùn)者不能夠充分感知現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜性，對射擊精度和心理素質(zhì)方面進(jìn)行充分訓(xùn)練，導(dǎo)致受訓(xùn)者射擊不靈活，實(shí)戰(zhàn)心理壓力大，極易發(fā)揮失常。

本靶機(jī)設(shè)計(jì)思路是：以遙控方式發(fā)送指令到單片機(jī)控制電路，驅(qū)動舵機(jī)與步進(jìn)電機(jī)帶動機(jī)械結(jié)構(gòu)使靶機(jī)做擺動和水平移動移動，從而模擬犯罪分子與人質(zhì)之間相對位置關(guān)系的變化，再現(xiàn)了劫持人質(zhì)場景。通過使用無線遙控劫持人質(zhì)靶機(jī)進(jìn)行射擊訓(xùn)練，模擬真實(shí)戰(zhàn)場中具有鮮明特點(diǎn)的射擊環(huán)境，使受訓(xùn)者在瞄準(zhǔn)的過程中，通過快速分析和預(yù)判人質(zhì)靶和歹徒靶的位置變化，不斷的調(diào)整準(zhǔn)心位置，進(jìn)而達(dá)到提高反應(yīng)速度和應(yīng)變能力的目的，同時(shí)，長期嚴(yán)密的訓(xùn)練對受訓(xùn)者積累有關(guān)劫持人質(zhì)事件下的射擊經(jīng)驗(yàn)、提高緊張多變戰(zhàn)場環(huán)境下的心理素質(zhì)有著很好的效果。由此可見，無線遙控劫持人質(zhì)靶機(jī)的應(yīng)用，可以使受訓(xùn)者真實(shí)的感受實(shí)戰(zhàn)情景，解決了射擊訓(xùn)練與實(shí)戰(zhàn)不統(tǒng)一的問題，使訓(xùn)練更具實(shí)戰(zhàn)性和針對性。

2 無線遙控靶機(jī)系統(tǒng)方案研究

無線遙控靶機(jī)將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)運(yùn)用到傳統(tǒng)射擊靶上來，利用舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動規(guī)律，帶動靶子運(yùn)動，賦予靶機(jī)運(yùn)動靈活多樣的特點(diǎn)，改變了以往模型單一、運(yùn)動簡單呆板的射擊靶模式，并通過無線遙控技術(shù)和單片機(jī)智能控制技術(shù)對靶機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的控制，從而使組訓(xùn)者可以根據(jù)需要遙控調(diào)整靶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，射擊訓(xùn)練更加貼近實(shí)戰(zhàn)化，提高了訓(xùn)練效果和質(zhì)量。

設(shè)計(jì)原理為：訓(xùn)練時(shí)，通過手持遙控端發(fā)出光信號，光信號接收端接收，經(jīng)過解碼后由單片機(jī)控制器進(jìn)行核心控制操作，分別再由舵機(jī)工作帶動目標(biāo)靶做左右擺動，步進(jìn)電機(jī)工作通過導(dǎo)軌滑塊帶動整個(gè)靶機(jī)做水平移動，模擬劫持人質(zhì)場景中目標(biāo)的移動，而且對人質(zhì)、歹徒之間相對位置關(guān)系的變化實(shí)現(xiàn)了高仿真，通過無線遙控裝置控制靶機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)與實(shí)戰(zhàn)情景高度相似。無線遙控靶機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，靶機(jī)底座上固定有滑塊導(dǎo)軌和步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)與導(dǎo)軌聯(lián)動，滑塊導(dǎo)軌的移動滑塊上固定舵機(jī)，舵機(jī)與歹徒靶聯(lián)動，人質(zhì)靶固定于舵機(jī)端。

無線遙控劫持人質(zhì)靶機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，組訓(xùn)者通過遙控移動端發(fā)出信號，由接受端感應(yīng)并將處理結(jié)果以電信號的形式傳入主控模塊，主控模塊接受指令后，向舵機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊輸出脈沖波進(jìn)行驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對靶機(jī)的控制。

3 無線遙控靶機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1） 單片機(jī)主控模塊由單片機(jī)、時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成，時(shí)鐘電路用以提供時(shí)鐘脈沖[1]，決定單片機(jī)運(yùn)行速度，保證單片機(jī)能正常工作，而復(fù)位電路可以在單片機(jī)出現(xiàn)問題時(shí)讓單片機(jī)重啟。

2） 本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)無線信號發(fā)送處理的功能，采用市場已有的成品 TC9012遙控器作為紅外信號接收裝置，其具有成本低、穩(wěn)定性良好的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足需要。TC9012是紅外遙控器的控制芯片，通過按下相應(yīng)按鈕，將控制指令和0、1代碼調(diào)制在38KHz的載波上，而后放大和驅(qū)動，經(jīng)發(fā)射端將信號發(fā)射出去。

3） 本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)角度擺動的功能，采用S3003舵機(jī)驅(qū)動，其價(jià)格便宜，性能良好，舵機(jī)的扭矩等參數(shù)足夠滿足帶動靶子拍動，承受慣性負(fù)荷。通過單片機(jī)P2.4引腳輸出PWM波，由于舵機(jī)運(yùn)行對電流會造成影響，導(dǎo)致單片機(jī)故障，所以使用獨(dú)立電源，采用光耦JC817對單片機(jī)的信號進(jìn)行處理，其電路如圖3所示。

在圖3中單片機(jī)電源經(jīng)電阻R6接光耦1腳，舵機(jī)電源經(jīng)過電阻R7接光耦4腳，把單片機(jī)輸出的信號進(jìn)行上拉以驅(qū)動舵機(jī)。

4） 本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)水平移動的功能，在步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)中選擇前者，主要考慮到步進(jìn)電機(jī)價(jià)格親民、功率雖小但足以滿足需求。本文采用常見的四相步進(jìn)電機(jī)：28BYJ-48型號的步進(jìn)電機(jī)。

28BYJ-48步進(jìn)電機(jī)[2]是4相永磁式減速電機(jī)，直徑為28mm，供電電壓為5V，步進(jìn)角度為5.625/64，減速比為1/64。該步進(jìn)電機(jī)引出有五根線，其中紅色的是公共端，連接到5V電源，接下來的橙、黃、粉、藍(lán)就對應(yīng)了A、B、C、D相，工作方式采用四相八拍工作方式，比如在從B相導(dǎo)通到C相導(dǎo)通的過程中，假如一個(gè)B相和C相同時(shí)導(dǎo)通的節(jié)拍，此時(shí)，由于B、C兩個(gè)繞組的定子齒對附近的轉(zhuǎn)子齒同時(shí)產(chǎn)生相同的吸引力，這將導(dǎo)致新插入的這個(gè)節(jié)拍使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了上述單四拍模式中步進(jìn)角度的一半，即5.625度。通過插入新節(jié)拍，使轉(zhuǎn)動精度增加了一倍，而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一圈則需要8×8=64 拍了。另外，新增加的這個(gè)中間節(jié)拍，還會在原來單四拍的兩個(gè)節(jié)拍引力之間又加了一把引力，從而可以大大增加電機(jī)的整體扭力輸出，使電機(jī)更“有勁”了。

本文采用ULN2003A作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，該芯片耐壓值高，可以承受較大的電流，工作電壓為5V。通過ULN2003A芯片將TTL與CMOS集成電路輸出電平調(diào)制并輸出信號驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)[3]。單片機(jī)P2.0-P2.3口接ULN2003A的輸入端子，其輸出端子直接連接步進(jìn)電機(jī)，其電路如圖4所示。

在上圖中，單片機(jī)的P2.0-P2.3引腳分別接ULN2003A的IN1-IN4，其輸出引腳OUT1-OUT4分別接步進(jìn)電機(jī)的四根相線，為了直觀的觀察各相導(dǎo)通狀態(tài)，每相分別加了一個(gè)1K的限流電阻與發(fā)光二極管。

4 系統(tǒng)調(diào)試

按設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，將焊接板、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、模擬靶面、導(dǎo)軌滑塊和底座等組裝起來，按照系統(tǒng)的電路原理、電路圖，利用STC-ISP軟件完成程序的燒錄工作，將系統(tǒng)所需的C語言程序燒錄到STC89C52單片機(jī)當(dāng)中。當(dāng)按下紅外遙控器數(shù)字1按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)5圈后停止，按下紅外遙控器數(shù)字2按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)5圈后停止，按下紅外遙控器數(shù)字3按鍵時(shí)，舵機(jī)歸位至最右邊，按下紅外遙控器數(shù)字4按鍵時(shí)，舵機(jī)反轉(zhuǎn)至最左邊，按下紅外遙控器數(shù)字5按鍵時(shí)，舵機(jī)正轉(zhuǎn)至最右邊。為了更好的模擬真實(shí)環(huán)境，當(dāng)按下紅外遙控器數(shù)字1或2按鍵時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模擬被劫持移動，同時(shí)舵機(jī)微弱擺動模擬劫持者，當(dāng)按下紅外遙控器數(shù)字3或者4或者5按鍵時(shí)，舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)而步進(jìn)電機(jī)不工作，模擬被劫持者不動而劫持者動作的情況，通過測試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚浩強(qiáng).單片機(jī)課程設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1989.

[2] 熊超美.步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南有色金屬，2011：61-64.

[3] 馬永利，王培勇.基于二維PSD的單目標(biāo)靶模擬射擊訓(xùn)練系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004：498-500.endprint