譚 洪，鄧彬偉，溫沐陽，王傳呈

(湖北理工學院電氣與電子信息工程學院，湖北 黃石 435003)

1 引言

研制激光打靶射擊訓練器并裝備到連隊，對于減少國防開支，提高軍事訓練水平，實現(xiàn)國防現(xiàn)代化，軍事訓練智能化等均具有重要的現(xiàn)實意義。目前，新兵射擊訓練主要分為瞄準和實彈射擊兩個部分，瞄準訓練的周期較長，實彈射擊由于受到場地和條件的限制，訓練組織工作量大，牽扯到場地、警戒、安全等諸多環(huán)節(jié)[1]。傳統(tǒng)模擬打靶射擊系統(tǒng)復雜度高且不便攜，故該系統(tǒng)采用了無線傳輸?shù)姆绞?，可以滿足各種訓練場地的需求，使得系統(tǒng)更加靈活、便攜[2－3]。然而，傳統(tǒng)無線激光打靶系統(tǒng)一般采用光電探測器來接收激光槍發(fā)出的模擬子彈，系統(tǒng)復雜且精度不高，而本系統(tǒng)由CMOS圖像傳感器來代替光電探測器，能夠有效的減小系統(tǒng)的復雜性，增加測量精度[4]。為此設計了一種激光槍自動射擊裝置，為成功解決上述問題提供了新的思路和方案，它具有安全、簡便、射擊精度高、彈著點實時顯示等功能。

筆者介紹了一個激光槍自動射擊裝置，通過控制激光槍打在靶面的目標位置，通過攝像頭視頻處理技術，將靶面信息采集并處理，由無線發(fā)送接收模塊發(fā)給遠處的主機，然后由主機控制語音模塊進行語音報靶并通過液晶模擬顯示靶面的信息，從而實現(xiàn)激光槍的自動射擊和報靶功能。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)由兩個MSP430F149控制模塊，CC2500無線發(fā)射接收模塊，電機驅動模塊，矩陣按鍵模塊，OV7670帶FIFO的模組攝像頭的圖像信息采集模塊，LCD240×128液晶顯示模塊，以及相應的外圍電路組成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2.2 設計方案論證

2.2.1 電機方案選擇

普通直流電機難以用單片機控制轉動到準確的角度，且動力不夠強，容易產(chǎn)生噪聲而影響壽命，難以滿足要求。舵機對控制死區(qū)敏感，輸入信號和反饋信號的波動，差值超出范圍，容易產(chǎn)生抖舵。所以采用步進電機和細分器實現(xiàn)，步進電機步距角為1.8°，經(jīng)細分器64細分后步距角為0.028°，能實現(xiàn)精確定位，此外細分可以改善電機低速時候的顫動，降低電機的運行噪音且容易通過單片機控制。

2.2.2 圖片信息采集方案選擇

傳統(tǒng)的模擬激光打靶系統(tǒng)一般采用CCD圖像采集識別，但其硬件結構復雜，數(shù)據(jù)量和運算量很大。本系統(tǒng)采用OV7670C高清晰CMOS模組攝像頭，OV7670C具有體積小，工作電壓低，功耗低，靈敏度高，用戶可以完全控制圖像質量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，易操作。

2.2.3 無線收發(fā)方案選擇

采用CC2500無線發(fā)射接收模塊，CC2500為2.4G無限社評通信模塊，具有體積小，靈敏度高，抗干擾性強等優(yōu)點，且芯片內(nèi)自帶頻率合成器，不需要外部濾波器或RF轉換，能有效的減少外部元器件。

2.2.4 液晶顯示模塊

采用LCD240×128液晶顯示。LCD240×128和LCD12864相似，也具有8位并行和串行數(shù)據(jù)傳輸，控制簡單，操作方便且具有240×128的分辨率。

2.2.5 語音模塊

采用 ISD4004語音模塊，ISD4004芯片采用CMOS技術，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。

3 理論分析與計算

3.1 靶場搭建尺寸設計

靶場設計如圖2所示。靶場采用長方體結構，結構穩(wěn)定，便于攝像頭的固定。

3.2 激光槍自動控制原理

激光槍由單片機通過三極管控制其開關，由兩個42步進電機組成的二維轉動平臺來控制激光槍所打的位置。步進電機是由THB6128步進電機細分器驅動的，42步進電機步距角為1.8°，經(jīng)細分器64細分后步距角為0.028°，可實現(xiàn)激光槍精確打靶。

圖2 靶場設計尺寸圖

3.3 彈著點檢測原理與計算

激光的亮度在數(shù)據(jù)采集中的是最高的，其像素值在0XE0以上，所以采集到這個數(shù)據(jù)可以認為是激光的數(shù)據(jù)，將所有激光點的(X，Y)數(shù)據(jù)分別相加再除以捕獲到的總激光點個數(shù)，得到激光的精確的定位絕對坐標，利用了求平均值法。

如圖3所示。以固定在胸環(huán)靶四周的四個黑點來定位，這4個黑點的灰度值為0×30以下的數(shù)據(jù)，分別采集這4個點的坐標，根據(jù)靶子的偏移量算出實際靶子和這4個點的相對位置得到修正后的靶子的精確絕對坐標，靶子上下左右斷點的(X，Y)坐標。相對坐標為主機屏幕使用的坐標，它的長寬分別為120×120，采集到的絕對坐標系為240×240，然后在絕對坐標中采集到的靶子的上下左右端點的坐標。以絕對X坐標轉換為相對X坐標為例，利用比例法改變:X=((X－靶子左端點X坐標)×120)/(靶子右端點X坐標－靶子左端點X坐標)。

圖3 胸環(huán)靶與液晶顯示比例運算模型

4 電路與程序設計

4.1 總體電路設計

總體電路設計如圖4、5所示。它包括電源模塊、OV7670圖像采集模塊、CC2500無線模塊、控制與顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、電機細分驅動模塊和鍵盤輸入模塊。

4.2 軟件設計流程

系統(tǒng)軟件由一個菜單模塊構架，使用大屏幕和矩陣鍵盤作為人機交互界面。在不同的菜單下可運行相互獨立的多種功能，使得軟件結構分明。攝像頭探測靶環(huán)部分主要由按鍵控制電機轉動，使激光點打在靶環(huán)上某處(或脫靶)，再使用采樣按鍵，便會將采樣模塊傳來的信息進行處理，并更新屏幕上的信息，同時語音模塊報出靶環(huán)及相對位置。激光點打靶部分，可使用按鍵選擇目標環(huán)數(shù)與區(qū)域，再通過按鍵開啟打靶，電機將受到攝像頭采樣的反饋，進行比例運算，多次轉動固定步數(shù)，投射到相應區(qū)域。程序流程圖見圖6。

圖4 主機控制電路

圖5 從機控制電路

5 測試方案與測試結果

在激光槍與胸環(huán)靶間距離為10m的地點用受電路控制的激光槍發(fā)射直徑小于5mm的激光束，激光束照射于胸環(huán)靶上彈著點位置可通過矩陣按鍵任意移動改變，彈著點所在的環(huán)數(shù)、方位可通過LCD液晶顯示并用語音播報。手動調(diào)節(jié)彈著點到任意位置，可迅速瞄準靶心。彈著點在任意初始位置，通過矩陣按鍵設置任意指定的環(huán)數(shù)和方位，也可迅速到達指定位置。

5.1 測試結果及分析

測量結果表明能手動任意改變彈著點的位置，并在LCD240×128液晶上準確顯示胸環(huán)靶的圖形以及彈著點所在環(huán)數(shù)和方位，并通過語音播報;自動控制激光槍，在5s內(nèi)將激光束光斑從胸環(huán)靶上的指定位置迅速瞄準擊中靶心，可根據(jù)任意設定的環(huán)數(shù)和方位，控制激光槍瞄準擊中胸環(huán)靶上相應位置，并且可以設定任意坐標位置，控制激光槍快速定位到指定坐標處。

圖6 程序流程圖

6 總結

本系統(tǒng)采用攝像頭與胸環(huán)靶間距可調(diào)可固定，增加系統(tǒng)的靈活性，可靠性;并采用步進電機細分電機驅動模塊，精度高，電機抖動小，系統(tǒng)穩(wěn)定性大大增強，并提供人性化的人機交互節(jié)目，采用自動語音播報，使測試變得更加方便易行。

[1]李 廣.模擬實彈激光打靶訓練器的設計[D].重慶:重慶大學:2005.

[2]趙 苗.激光模擬打靶訓練系統(tǒng)的研究[D].南昌:南昌大學，2007.

[3]閆瑞杰，何小剛，柴婷婷.新型無線激光打靶系統(tǒng)的設計[J].太原理工大學學報，2006(1):104－107.

[4]余 劍.基于CMOS圖像傳感器的激光射擊模擬訓練系統(tǒng)的研究[D].南京:南京理工大學，2005.