0 引言

    在武警、軍隊的訓(xùn)練科目之中，射擊是必不可少的環(huán)節(jié)。隨著我國建設(shè)信息化部隊步伐的加快，傳統(tǒng)的人工報靶方式因存在安全性差、精度低、統(tǒng)計復(fù)雜等缺點，已經(jīng)難以滿足國家建設(shè)現(xiàn)代化部隊的要求。發(fā)達國家電子報靶產(chǎn)品出現(xiàn)較早、種類多，但是大多造價昂貴，不適合大量引進。在這種背景下，國內(nèi)各種電子報靶設(shè)備相繼出現(xiàn)，包括視頻報靶、聲電定位報靶等。這些設(shè)備在一定程度上提高了報靶的效率和安全性^[1-3]，但其中多數(shù)存在維護困難、設(shè)備笨重等缺點，無法適應(yīng)野外環(huán)境的復(fù)雜性，不宜在野外推廣。

    單片機具有體積小、穩(wěn)定可靠、功耗小等優(yōu)點，本文運用激光坐標(biāo)定位原理^[4]，設(shè)計了一款以單片機為控制核心的適用于野外打靶訓(xùn)練任務(wù)的報靶系統(tǒng)。

1 坐標(biāo)計算原理

    如圖1所示，以胸環(huán)靶為例(單位mm)，靶紙尺寸為500×500，以靶紙左下角為原點，靶心坐標(biāo)(240，210)，自動報靶系統(tǒng)主要由靶紙、控制系統(tǒng)和靶體構(gòu)成，靶體包括前后兩個平行同心靶面，每一個靶面內(nèi)有一個激光發(fā)射器和一個L型光敏陣列，兩個一字激光發(fā)射器分別位于兩靶面的左右下角，在每一個靶面內(nèi)與激光發(fā)射器對角的位置放置L型光敏陣列，一字激光照射在光敏陣列上。光敏元件、激光發(fā)射器、控制器全部隱藏在鋼制靶體內(nèi)部，以保證其不被彈丸損壞。

    射擊時彈丸以500~1 000 m/s的速度先后穿過前后兩個平行同心靶面，在極小的時間差內(nèi)分別遮擋位于前后靶面的激光束，在前后兩個L型光敏陣列上形成無激光照射段，鎖存元件通過光敏陣列將投影記錄下來，控制系統(tǒng)讀取此信號并完成坐標(biāo)計算等功能。

    將前后兩個平行靶面簡化如圖2所示。

    O、A′為兩個激光發(fā)射器的出射點，d、d′表示彈丸，O′C′B′與ABC為L型光敏器陣列，L₁、L₂、L₃、L₄分別為彈丸邊緣與激光出射點構(gòu)成的直線，L_A、L_B分別是彈丸中心與兩出射點構(gòu)成的直線。M₁、M₂、M₃、M₄分別是L₁、L₂、L₃、L₄與L型光敏陣列的交點。

    將兩投射面向同一面內(nèi)投影，并將部分直線斜率與角度標(biāo)出，如圖3所示。

    圖3中坐標(biāo)：O(0，0)，A(500，0)，B(500，500)，C(0，500)，L₁、L₂、L₃、L₄為彈丸邊緣與兩激光出射點O、A構(gòu)成的直線，M₁、M₂、M₃、M₄分別為L₁、L₂、L₃、L₄與OABC的交點，K₁、K₂、K₃、K₄分別為直線L1、L2、L3、L4的斜率，L_A、L_B為彈丸中心與激光出射點構(gòu)成的直線，K₅、K₆分別為L_A、L_B的斜率，∠a、∠b、∠c分別為L₁、L₂、L_A與x軸正方向形成的夾角。L_A為L₁與L₂夾角的角平分線，L_B為L₃與L₄夾角的角平分線。根據(jù)圖示關(guān)系可得出公式：

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

    控制系統(tǒng)的主要功能是獲取上述M₁、M₂、M₃、M₄坐標(biāo)，完成數(shù)據(jù)的通信、彈著點坐標(biāo)計算及顯示。按照功能劃分，系統(tǒng)的上、下位機主要分為四個子系統(tǒng)：信號采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、彈著點坐標(biāo)計算系統(tǒng)、靶面彈著點顯示系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成圖如圖4所示。

2.1 信號采集系統(tǒng)

    信號采集系統(tǒng)的主要功能是快速捕捉信號并獲取M₁、M₂、M₃、M₄的坐標(biāo)。信號采集系統(tǒng)主要由4個控制核心STC11F16XE、40個74LS165芯片、320個光敏元件及中斷擴展電路構(gòu)成，其中每個STC11F16XE控制10個74LS165，每個74LS165負責(zé)8個光敏元件的信號鎖存及串行輸出，320個光敏元件與二極管一起構(gòu)成中斷擴展電路。中斷擴展電路如圖5所示。

    中斷擴展電路反映出自動報靶系統(tǒng)是否有子彈入射，以實現(xiàn)STC11F16XE工作狀態(tài)的切換：休眠模式、快速響應(yīng)模式。無子彈入射時， STC11F16XE休眠，只開啟必備的通信功能。子彈入射時， STC11F16XE在一個機器周期內(nèi)即被喚醒，控制74LS165第一時間讀入光敏元件狀態(tài)，并在2 μs內(nèi)鎖存信號。STC11F16XE將數(shù)據(jù)讀入，并計算出M₁、M₂、M₃、M₄坐標(biāo)。國產(chǎn)的AK步槍子彈出膛速度為1 000 m/s，彈頭長度5 cm，光敏元件激光感應(yīng)頭極小，忽略其尺寸，則子彈穿越激光靶產(chǎn)生的有效信號持續(xù)時間為5 μs，信號持續(xù)時間大于大鎖存時間，信號可被及時捕捉。

2.2 通信系統(tǒng)

    野外自動報靶系統(tǒng)的通信系統(tǒng)主要分為三部分：下位機之間的多機通信^[5-6]、下位機與上位機的無線通信、上位機組態(tài)王與Visual Basic的通信。主要功能是將M₁、M₂、M₃、M₄坐標(biāo)傳送給上位機，完成彈著點坐標(biāo)的計算并遠程顯示在彈著點靶面界面上。

    多機通信主要包括下位機中作為分機的4個STC11F16XE和一個作為主機的STC12C5A60S2，主分機通過RS232串口進行通信。其中主機STC12C5A60S2具有雙串口，起到數(shù)據(jù)中間站的作用，負責(zé)獲取STC11F16XE計算出的M₁、M₂、M₃、M₄坐標(biāo)并將其整理打包傳給無線發(fā)送模塊。各分機被編號為1、2、3、4(1號分機計算M₁，2號分機計算M₂，依次類推)，主機循環(huán)呼叫各分機，采用下位機總機主動呼叫、被動接收，分機被動呼叫、主動發(fā)送的通信模式，即：主機呼叫1號分機，各分機收到呼叫并與本機編號進行對比， 1號分機對比本機編號正確，其余分機忽略呼叫。若1號分機被呼叫時計算出有效M₁值，則主動應(yīng)答呼叫，將數(shù)據(jù)傳送給主機；否則忽略本次呼叫。主機繼續(xù)呼叫2、3、4號分機，重復(fù)上述過程，主機將收集到的各分機信息通過無線發(fā)送模塊發(fā)送給上位機進行坐標(biāo)計算。

    下位機與上位機采用無線通信，主要功能是實現(xiàn)遠程顯示、無線操作，保證人員的安全。本系統(tǒng)采用EKI-1352無線通信模塊，有效傳輸距離為200 m。Visual Basic取數(shù)據(jù)，計算彈丸坐標(biāo)，并且將計算出的數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)DDE通信傳送給組態(tài)王上位機彈丸靶面顯示界面。

2.3 彈著點坐標(biāo)計算系統(tǒng)

    由第1節(jié)中的推導(dǎo)公式可以看出，彈丸坐標(biāo)的得出涉及大量的計算需要占用大量的系統(tǒng)內(nèi)存，為了保證下位機的響應(yīng)速度，彈丸坐標(biāo)計算在上位機PC平臺上采用Visual Basic進行。坐標(biāo)計算流程如圖6所示。

2.4 靶面彈著點顯示系統(tǒng)

    本系統(tǒng)以組態(tài)王6.52為基礎(chǔ)，Visual Basic計算完成的數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)DDE設(shè)備被組態(tài)王讀取，將此點顯示到靶面的相應(yīng)位置，并將射擊人員姓名、班級、性別等相關(guān)信息與射擊成績一同存儲在建立好的Access數(shù)據(jù)庫中，支持查詢、打印等功能。

3 誤差分析

    對不同位置的射擊數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得出的系統(tǒng)計算值與實際測量值如表1所示。

    把兩組數(shù)據(jù)在同一坐標(biāo)系下繪制成曲線如圖7所示。

    如圖7所示兩條曲線基本上吻合，進一步處理數(shù)據(jù)d_i，d_i的表達式為式(15)，并求出平均值d_x如表2所示。

    胸環(huán)靶每環(huán)寬度為50 mm，故平均誤差為1/25環(huán)，誤差來源主要是由于激光頭、傳感器安裝誤差，理論計算誤差與測量誤差?？紤]通過提高機械本體加工精度、減小安裝誤差、進一步細化理論推導(dǎo)等方法來提高系統(tǒng)的精度。

4 結(jié)束語

    本文采用激光定位、嵌入式處理系統(tǒng)加PC上位機(Access、Visual Basic、組態(tài)王)的激光靶自動報靶系統(tǒng)，能夠精確地計算彈著點坐標(biāo)，誤差為2.1 mm，響應(yīng)時間小于2 μs，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳送，實時、直觀的顯示以及結(jié)果的貯存、統(tǒng)計。該系統(tǒng)功能強大，設(shè)備輕便，成本低廉，可靠性高，適應(yīng)性強，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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