0 引言

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

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

1 坐標(biāo)計(jì)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(diǎn)，靶心坐標(biāo)(240，210)，自動(dòng)報(bào)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(gè)平行同心靶面，每一個(gè)靶面內(nèi)有一個(gè)激光發(fā)射器和一個(gè)L型光敏陣列，兩個(gè)一字激光發(fā)射器分別位于兩靶面的左右下角，在每一個(gè)靶面內(nèi)與激光發(fā)射器對(duì)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(shí)彈丸以500~1 000 m/s的速度先后穿過(guò)前后兩個(gè)平行同心靶面，在極小的時(shí)間差內(nèi)分別遮擋位于前后靶面的激光束，在前后兩個(gè)L型光敏陣列上形成無(wú)激光照射段，鎖存元件通過(guò)光敏陣列將投影記錄下來(lái)，控制系統(tǒng)讀取此信號(hào)并完成坐標(biāo)計(jì)算等功能。

    將前后兩個(gè)平行靶面簡(jiǎn)化如圖2所示。

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

    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(diǎn)O、A構(gòu)成的直線，M₁、M₂、M₃、M₄分別為L(zhǎng)₁、L₂、L₃、L₄與OABC的交點(diǎn)，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(diǎn)構(gòu)成的直線，K₅、K₆分別為L(zhǎng)_A、L_B的斜率，∠a、∠b、∠c分別為L(zhǎng)₁、L₂、L_A與x軸正方向形成的夾角。L_A為L(zhǎng)₁與L₂夾角的角平分線，L_B為L(zhǎng)₃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(jì)

    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(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算及顯示。按照功能劃分，系統(tǒng)的上、下位機(jī)主要分為四個(gè)子系統(tǒng)：信號(hào)采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、彈著點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算系統(tǒng)、靶面彈著點(diǎn)顯示系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)構(gòu)成圖如圖4所示。

2.1 信號(hào)采集系統(tǒng)

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

    中斷擴(kuò)展電路反映出自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)是否有子彈入射，以實(shí)現(xiàn)STC11F16XE工作狀態(tài)的切換：休眠模式、快速響應(yīng)模式。無(wú)子彈入射時(shí)， STC11F16XE休眠，只開(kāi)啟必備的通信功能。子彈入射時(shí)， STC11F16XE在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)即被喚醒，控制74LS165第一時(shí)間讀入光敏元件狀態(tài)，并在2 μs內(nèi)鎖存信號(hào)。STC11F16XE將數(shù)據(jù)讀入，并計(jì)算出M₁、M₂、M₃、M₄坐標(biāo)。國(guó)產(chǎn)的AK步槍子彈出膛速度為1 000 m/s，彈頭長(zhǎng)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(hào)持續(xù)時(shí)間為5 μs，信號(hào)持續(xù)時(shí)間大于大鎖存時(shí)間，信號(hào)可被及時(shí)捕捉。

2.2 通信系統(tǒng)

    野外自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)的通信系統(tǒng)主要分為三部分：下位機(jī)之間的多機(jī)通信^[5-6]、下位機(jī)與上位機(jī)的無(wú)線通信、上位機(jī)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(jī)，完成彈著點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算并遠(yuǎn)程顯示在彈著點(diǎn)靶面界面上。

    多機(jī)通信主要包括下位機(jī)中作為分機(jī)的4個(gè)STC11F16XE和一個(gè)作為主機(jī)的STC12C5A60S2，主分機(jī)通過(guò)RS232串口進(jìn)行通信。其中主機(jī)STC12C5A60S2具有雙串口，起到數(shù)據(jù)中間站的作用，負(fù)責(zé)獲取STC11F16XE計(jì)算出的M₁、M₂、M₃、M₄坐標(biāo)并將其整理打包傳給無(wú)線發(fā)送模塊。各分機(jī)被編號(hào)為1、2、3、4(1號(hào)分機(jī)計(jì)算M₁，2號(hào)分機(jī)計(jì)算M₂，依次類(lèi)推)，主機(jī)循環(huán)呼叫各分機(jī)，采用下位機(jī)總機(jī)主動(dòng)呼叫、被動(dòng)接收，分機(jī)被動(dòng)呼叫、主動(dòng)發(fā)送的通信模式，即：主機(jī)呼叫1號(hào)分機(jī)，各分機(jī)收到呼叫并與本機(jī)編號(hào)進(jìn)行對(duì)比， 1號(hào)分機(jī)對(duì)比本機(jī)編號(hào)正確，其余分機(jī)忽略呼叫。若1號(hào)分機(jī)被呼叫時(shí)計(jì)算出有效M₁值，則主動(dòng)應(yīng)答呼叫，將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)；否則忽略本次呼叫。主機(jī)繼續(xù)呼叫2、3、4號(hào)分機(jī)，重復(fù)上述過(guò)程，主機(jī)將收集到的各分機(jī)信息通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。

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

2.3 彈著點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)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(jì)算需要占用大量的系統(tǒng)內(nèi)存，為了保證下位機(jī)的響應(yīng)速度，彈丸坐標(biāo)計(jì)算在上位機(jī)PC平臺(tái)上采用Visual Basic進(jìn)行。坐標(biāo)計(jì)算流程如圖6所示。

2.4 靶面彈著點(diǎn)顯示系統(tǒng)

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

3 誤差分析

    對(duì)不同位置的射擊數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出的系統(tǒng)計(jì)算值與實(shí)際測(cè)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(jìn)一步處理數(shù)據(jù)d_i，d_i的表達(dá)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(lái)源主要是由于激光頭、傳感器安裝誤差，理論計(jì)算誤差與測(cè)量誤差。考慮通過(guò)提高機(jī)械本體加工精度、減小安裝誤差、進(jìn)一步細(xì)化理論推導(dǎo)等方法來(lái)提高系統(tǒng)的精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

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