激光槍自動射擊報靶裝置

陳啟昂 潘瑤麟 樓奇力

（中國計量學院現代科技學院 310018）

1 系統方案

1.1 主控芯片的選擇

根據本題的要求，整個系統中必須要有一個主控芯片來處理數據和控制操作，主要考慮以下兩種方案：

方案一：MSP430系列單片機。16位低功耗單片機，性能良好。

方案二：51系列單片機。價格便宜，應用廣泛，但是有復雜的算法的局限。

方案三：MK60DX256ZVLQ10單片機。32位處理器內核高性能處理器，具有強大的控制、處理能力，豐富的外圍模塊，穩定的系統，提供方便高效的開發環境。

本系統選取MK60DX256ZVLQ10單片機作為控制器，MK60DX256ZVLQ10單片機支持低功耗模式，性能穩定，內置嵌套向量中斷控制器，在控制、處理數據速度上有優勢，并含有豐富的外圍模塊，所以選擇方案三。

1.2 傳感器的選擇

本系統的傳感器主要是圖像的采集及分析，可考慮的傳感器如下列方案：

方案一：CCD圖像傳感器。CCD是一種半導體器件，能把光學影像轉化為數字信號。

方案二：攝像頭。數字攝像頭可以將視頻采集設備產生的模擬視頻信號轉換成數字信號，進而將其儲存在計算機里。

由于題目明確要求使用攝像頭，識別激光槍投射在胸環靶上的彈著點光斑，并顯示彈著點的環數與方位信息。因此傳感器選擇方案二。

1.3 電機的選擇

電機的主要作用是調整激光筆的位置，指向點光源，可選取的類型如下方案：

方案一：步進電機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響。每給一次脈沖信號，電機能夠轉過一個步距角。

方案二：直流減速電機。此電機在正常通電狀態下，轉速平穩，角度的變化也近乎連續，控制簡單方便。

方案三：舵機。此電機由PWM的占空比來控制轉動角度。角度準確，控制簡單。

根據設計的要求可知，步進電機存在的明顯缺陷是角度變化的局限性，控制相對直流減速電機而言也復雜。直流減速電機角度連續變化，轉速平穩，容易控制，但是舵機集各個優點于一體，因而選用第三種方案。

1.4 總方案的確定

綜上，本系統最終以MK60DX256ZVLQ10作為控制器，根據攝像頭采集的圖像來判斷彈著點所在位置，并顯示于12864液晶屏，同時能通過鍵盤來改變PWM波使舵機轉動相應角度，從而調控激光槍的彈著點。

圖1 總方案圖

2 理論分析與計算

2.1 激光槍自動控制原理分析、計算

激光槍的自動控制由兩個舵機來完成，兩個舵機分別控制上下移動和左右移動。舵機的轉動角度由PWM波的占空比來控制。

給定PWM波的周期為20ms, 初始化脈寬為1.5ms，即每旋轉一度，所需增加的脈寬為：

其中，Tmax為左轉極限脈寬。

Tmin 為右轉極限脈寬。

圖2 舵機控制原理圖

2.2 彈著點檢測原理分析、計算

根據題目中的要求，胸環靶是在不反光的白紙畫有一組相距5cm的同心圓(線寬不超過1mm)，最內圓環直徑10cm，圓環內為10環區域，從最內環至最外環間分別為9、8、7、6、5環區域，最外環外為脫靶，具體如下：

以圓心為原點，我們采用極坐標的方式來處理，因為胸環靶的位置不改變，通過舵機轉動的角度來改變彈著點在胸環靶上的坐標。所以彈著點的位置可以根據舵機轉動的角度及舵機與胸環靶之間的距離來計算。

根據以上分析，可以將彈著點的位置問題轉化為求解水平角度或仰角與水平角度的相關問題。降低了任務的復雜性，目標明確。

根據對胸環靶的分析，依據簡易、精確控制與節約資源的原則，本設計采用攝像頭置前，與靶心的垂距為90cm。

激光槍的打靶射擊可分解為水平移動和豎直移動。攝像頭應用于確定彈著點的位置，反饋予控制器，在液晶屏上數字報靶。考慮到能夠快速的檢測到彈著點的具體方位，以便快速瞄靶心。設激光槍控制彈著點與靶心的距離為x,則

水平方向激光束與中垂線的夾角

計算如下：

其中t為當前所給的PWM波脈寬。

豎直方向的布局分析與上述情況相同。

此外，考慮到外界的影響，在胸環靶的靶環外貼上正方的黑色膠帶做標記。實踐證明，這樣的處理能夠達到更良好的控制。

3 電路與程序設計

3.1 電路設計

本系統的電源模塊有兩種，如圖2所示，上半部分電路是給攝像頭提供5V電壓的電源模塊，下半部分電路是給Kinetis60提供3.3V電壓的電源模塊。

圖4 電源模塊

為了能更清楚地知道激光點當前所在環數，我們加入了語音播報模塊，本模塊由ISD1700芯片及其外圍電路組成，可以對語音進行存儲與回放，同時具有音量調節，聲音擦除等功能。

圖5 語音存儲與回放電路

3.2 程序設計

程序描述：

初始化部分：控制器配置

程序主體部分包括：激光槍及瞄準機構、胸環靶、彈著點檢測電路。

控制系統上電后，進入初始化狀態，12864液晶顯示胸環靶的相應圖像，在按鍵之后，系統進入按鍵控制彈著點的位置，此時，攝像頭采集圖像，并且液晶顯示數字報靶。再次按鍵，移動激光筆自動追蹤靶心，經過一段后，系統會自動調節使得激光筆的彈著點位置與靶心的位置相對并打靶擊中圓心。

圖3 攝像頭與激光槍分布圖

圖6 程序流程圖

4 測試方案與結果

4.1 測試方法與過程

由理論分析可知，本系統對攝像頭的圖像采集、處理，要求比較高。主要就是如何調制攝像頭，使其采集到的圖片盡量不發生畸變。

測試前的準備：

先給點光源通電，調整點光源的電流值，達到規定范圍內，然后在給其余設備供電后系統直接進入檢測傳感器是否能夠正常工作狀態。然后，手動使激光筆打靶，查看攝像頭的圖像采集情況，主要是使水平方向的圖像，豎直方向的圖像盡量少發生畸變，并且微調指示臺，傳感器的采樣圖像有顯著地變化，接著按啟動按鍵，就可以測試。

測試方法：在測試前的準備 工作結束后，先讓其任意打靶，液晶數字報靶，鍵盤任意調整彈著點位置，激光束光斑從胸環靶上的指定位置迅速瞄準并擊中靶心。

4.2 測試儀器和材料

穩壓電源 數字萬用表 胸環靶支架

4.3 測試結果與數據

胸環靶位置不變，任意給激光筆的指示位置，打靶，液晶數字報靶，測量數據如下表：

表1 胸環靶位置不變的測量數據

激光束光斑從胸環靶上的指定位置迅速瞄準并擊中靶心，測量數據如下表：

表2 迅速瞄準并擊中靶心的測量數據

任意給環數，激光筆打到相應位置，測量數據如下表：

表3 任意給環數，激光筆打到相應位置的測量數據

經過反復調試，胸環靶位置不變，任意給激光筆的指示位置，打靶，液晶數字報靶基本準確，此外，經測試，本系統的拓展部分：在15S之內，激光束光斑從胸環靶上的指定位置迅速瞄準并擊中靶心。其他：任意給環數，激光筆打到相應位置，相當精確,并且能夠語音報靶。

[1] 劉建，秦會斌，黃博志等.激光打靶系統的設計[J].傳感技術學報，2003年04期

[2] 顧敏芬，梁忠誠，朱云等.基于激光打靶機的紅外光斑測量[J].光電子技術與信息，2000年04期