文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)05-0032-03
0 引言
在武警、軍隊的訓練科目之中,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練任務(wù)的報靶系統(tǒng)。
1 坐標計算原理
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(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,LA、LB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出,如圖3所示。
圖3中坐標: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,LA、LB為彈丸中心與激光出射點構(gòu)成的直線,K5、K6分別為LA、LB的斜率,∠a、∠b、∠c分別為L1、L2、LA與x軸正方向形成的夾角。LA為L1與L2夾角的角平分線,LB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,完成數(shù)據(jù)的通信、彈著點坐標計算及顯示。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。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。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坐標傳送給上位機,完成彈著點坐標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,負責獲取STC11F16XE計算出的M1、M2、M3、M4坐標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,并且將計算出的數(shù)據(jù)通過標準DDE通信傳送給組態(tài)王上位機彈丸靶面顯示界面。
2.3 彈著點坐標計算系統(tǒng)
由第1節(jié)中的推導公式可以看出,彈丸坐標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,彈丸坐標計算在上位機PC平臺上采用Visual Basic進行。坐標計算流程如圖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)過標準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)di,di的表達式為式(15),并求出平均值dx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,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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