移動(dòng)射擊輔助器

楊榮乾

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢430070）

1 研究方法

1.1 與現(xiàn)有方式對(duì)比

該項(xiàng)目的目標(biāo)是解決目前射擊娛樂(lè)方式單一以及專業(yè)訓(xùn)練智能移動(dòng)標(biāo)靶體系缺點(diǎn)明顯這一問(wèn)題。想要在射擊方面提高它的趣味性以及訓(xùn)練難度，設(shè)計(jì)合適、合理的智能移動(dòng)標(biāo)靶體系最為關(guān)鍵。

目前較為智能的輕武器射擊訓(xùn)練標(biāo)靶系統(tǒng)的比較如表1所示。

表1 輕武器射擊訓(xùn)練標(biāo)靶系統(tǒng)的比較

本項(xiàng)目在智能車上安裝攝像頭用來(lái)識(shí)別行駛軌跡，安裝機(jī)械臂用來(lái)夾取標(biāo)靶，使之移動(dòng)，另外在機(jī)械臂的一側(cè)與減震裝置相連，能夠降低車身收到子彈的沖力時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，使小車的行駛更加穩(wěn)定，且成本較低、速度可調(diào)。本項(xiàng)目的智能車技術(shù)可以借鑒飛思卡爾中的相關(guān)資料，現(xiàn)在的飛思卡爾智能車已經(jīng)能夠在上下坡道中行駛，速度也較為理想并且可調(diào)，有較好的適用性。

1.2 總體規(guī)劃

本項(xiàng)目以應(yīng)用創(chuàng)新和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為切入點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種能夠作為移動(dòng)靶的智能車，以此來(lái)提升射擊娛樂(lè)的趣味性、訓(xùn)練難度，并且提升了挑戰(zhàn)性。主要包括攝像頭識(shí)別、減震裝置等，具體內(nèi)容如下：設(shè)計(jì)合理的減震裝置，將減震裝置與減震墊相結(jié)合，最大程度上減小振動(dòng)；通過(guò)PID算法控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車行駛方向的控制。

1.3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)射擊輔助器由機(jī)械抓手、雙驅(qū)動(dòng)差動(dòng)輪底盤結(jié)構(gòu)、攝像頭智能識(shí)別、減震裝置組成。本項(xiàng)目采用攝像頭智能識(shí)別技術(shù)，用機(jī)械爪夾住標(biāo)靶，小車由并排的2個(gè)后輪同時(shí)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)差速轉(zhuǎn)彎，攝像頭用來(lái)識(shí)別道路，將圖像信息處理好后提供給單片機(jī)，再由主控芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)智能車的控制。

因機(jī)械爪的活動(dòng)性好、自由度高，機(jī)械抓手被廣泛應(yīng)用于各種物品的夾持、收集工作中。本裝置移動(dòng)射擊輔助器同樣采用機(jī)械爪，用來(lái)夾住靶子。如果玩家想要體驗(yàn)不同的難度，上面的機(jī)械爪還可以隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以增加游戲難度，使玩家有更好的體驗(yàn)。

機(jī)械爪可以車身為基準(zhǔn)，繞Z軸360°旋轉(zhuǎn)，具有較好的靈活性，考慮將機(jī)械臂上方的可旋轉(zhuǎn)部位變得松動(dòng)，當(dāng)受到?jīng)_擊時(shí)能夠更好地用減震器來(lái)降低子彈沖擊力帶來(lái)的振動(dòng)，防止智能車的劇烈振動(dòng)。

在機(jī)械臂的一側(cè)與減震裝置相連接，減震器的孔腔外部是吸震彈簧，吸震彈簧可以過(guò)濾來(lái)自子彈對(duì)機(jī)械臂的沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)，但是彈簧自身還會(huì)有往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這是孔腔形成的減震器起的作用。減震器采用雙向作用筒式減震器，在彈簧吸振后，產(chǎn)生了往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)彈簧擠壓減震器時(shí)，減震器受壓縮，此時(shí)減震器內(nèi)活塞向下移動(dòng)?；钊虑皇业娜莘e減小，油壓升高，油液流經(jīng)流通閥流到活塞上的腔室。上腔被活塞桿占去了一部分空間，所以上腔增加的容積小于下腔減小的容積，一部分油液推開壓縮閥，流回貯油缸。這些閥對(duì)油的節(jié)流形成懸架受壓縮運(yùn)動(dòng)的阻尼力。減震器在伸張時(shí)，活塞向上運(yùn)動(dòng)，活塞上腔油壓升高，流通閥關(guān)閉，上腔內(nèi)的油液推開伸張閥流入下腔。由于活塞桿的存在，自上腔流來(lái)的油液不足以充滿下腔增加的容積，使下腔產(chǎn)生形成一定的真空度，這時(shí)儲(chǔ)油缸中的油液推開補(bǔ)償閥流進(jìn)下腔進(jìn)行補(bǔ)充。這些閥的節(jié)流作用對(duì)懸架在伸張運(yùn)動(dòng)時(shí)起到阻尼作用。

每當(dāng)智能車完成一次任務(wù)即從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)后，小車停止運(yùn)行，并且由人工將機(jī)械臂夾取的標(biāo)靶換上新的，檢查智能車電源的剩余電量，如果電量不足則更換電池。

2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目采用的圖像采集單元為CMOS圖像傳感器OV7725，因?yàn)镃MOS是一種高集成度大規(guī)模集成電路，使用光敏元件為感光器件，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換直接產(chǎn)生電壓信號(hào)，而且在采集光信號(hào)的同時(shí)輸出電壓信號(hào)，具有很高的靈敏度，只需要1個(gè)電源，耗電量低，功耗相比于CCD有很大的降低，CMOS芯片內(nèi)部提供了一系列控制寄存器，通過(guò)總線編程來(lái)對(duì)自動(dòng)增益、白色平衡等功能進(jìn)行控制，編程簡(jiǎn)單、控制靈活。

在設(shè)計(jì)娛樂(lè)或訓(xùn)練區(qū)域，智能車的行駛必然需要軌道，軌道采用飛思卡爾形式即可，在軌道邊緣鋪設(shè)黑線，當(dāng)攝像頭拍攝到圖像后，通過(guò)圖像處理得出黑線位置，然后算出正確的行駛軌跡，將位置信息返回到STM32微控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路的識(shí)別。由于采集到的圖像很大，首先對(duì)其進(jìn)行灰度化處理，公式為Y=0.3R+0.59G+0.11B。

灰度化處理之后，圖片依然比較大，需要再對(duì)其進(jìn)行二值化處理。二值化處理時(shí)，設(shè)置1個(gè)閾值，將賽道的顏色設(shè)置為白色，賽道兩端設(shè)置為黑色；分析處理后的圖像，對(duì)有效的元素進(jìn)行識(shí)別，并提供盡可能多的信息供決策使用。

圖片信息進(jìn)行二值化處理后，對(duì)圖像的每一行進(jìn)行處理，可以得到每行圖像黑線的位置，采用邊沿提取算法，對(duì)黑線反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)。邊沿提取算法流程如圖1所示。

圖1 黑線位置提取

通過(guò)i控制循環(huán)語(yǔ)句不斷檢測(cè)上升沿或下降沿。當(dāng)?shù)趇個(gè)點(diǎn)的A/D值與第i+2個(gè)點(diǎn)的A/D值之差大于設(shè)定的閾值時(shí)，表明出現(xiàn)了下降沿，這時(shí)讀取i的值。一旦出現(xiàn)了下降沿，就開始不斷地判斷第i+2個(gè)點(diǎn)的A/D值與第i個(gè)點(diǎn)的A/D值之差是否大于設(shè)定的閾值。如果大于，則表明檢測(cè)到了上升沿，這時(shí)也讀取i的值。通過(guò)2次求得的i的值便能求得黑線對(duì)應(yīng)的點(diǎn)是第幾個(gè)點(diǎn)，進(jìn)而求出黑線的相對(duì)位置。

通過(guò)判斷下降沿位置和上升沿位置來(lái)計(jì)算黑線的相對(duì)位置，并通過(guò)判斷上升沿之后的數(shù)據(jù)是否滿足相差不大于閾值來(lái)減小誤差，以精確計(jì)算黑線的相對(duì)位置。

在對(duì)圖像中每一行進(jìn)行處理時(shí)，近處圖像比遠(yuǎn)處可靠，所以邊線由近到遠(yuǎn)提取。為了縮小搜索范圍、節(jié)省時(shí)間，之后的行采用邊沿跟蹤，根據(jù)上一行的黑線位置動(dòng)態(tài)確定本行黑線的搜索范圍，搜索黑線，節(jié)省時(shí)間，持續(xù)處理，直至搜索到完整圖像。對(duì)于智能車行駛軌跡的判定則較為簡(jiǎn)單，只需要將圖像處理識(shí)別后的軌道兩側(cè)黑線的位置坐標(biāo)相加再除以2就能得到軌跡中線的位置坐標(biāo)，配合PID算法控制的舵機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整方向，將智能車行駛至終點(diǎn)。

3 項(xiàng)目的研究基礎(chǔ)和可行性分析

3.1 研究基礎(chǔ)

本項(xiàng)目的關(guān)鍵在于2點(diǎn)：圖像識(shí)別，用來(lái)識(shí)別軌跡路線；減震模塊，當(dāng)玩家射擊后，為了減弱子彈沖擊帶來(lái)的振動(dòng)讓小車穩(wěn)定行駛，采用減震模塊十分重要。

在圖像識(shí)別軌道方面，飛思卡爾中的圖像識(shí)別算法已經(jīng)較為成熟，只需做適當(dāng)?shù)男薷募纯?；在減震裝置方面，各種工廠里都已得到很廣泛的應(yīng)用，且技術(shù)十分成熟。在射擊領(lǐng)域，民間娛樂(lè)方面已經(jīng)得到了較為迅速的增長(zhǎng)，有較好的群眾基礎(chǔ)；在部隊(duì)里的訓(xùn)練中，輕武器射擊訓(xùn)練已經(jīng)成為部隊(duì)訓(xùn)練的重要手段，智能移動(dòng)標(biāo)靶系統(tǒng)多種多樣。

3.2 可行性分析

對(duì)于射擊項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，大眾接觸到的大多為娛樂(lè)射擊，而近些年來(lái)，人們對(duì)于射擊的興趣逐漸濃厚，滿足了人民群眾在生活水平日益提高情況下對(duì)于精神文明的需求；在部隊(duì)中，射擊訓(xùn)練是必不可少的，而移動(dòng)射擊訓(xùn)練正受到廣泛關(guān)注，尤其是智能移動(dòng)射擊體系的設(shè)計(jì)，直接決定了移動(dòng)射擊訓(xùn)練的效果，十分重要。由此可見，移動(dòng)射擊訓(xùn)練有很廣大的受眾，該項(xiàng)目具有較高的可行性。