王宇，張朋

（南京潤景豐創(chuàng)信息技術有限公司，南京 210000）

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，射擊訓練的重要性越來越受到重視。精度射擊作為軍事訓練中必不可少的一部分，需要對命中目標的彈著點位置進行精確檢測，對提高士兵的技能水平、作戰(zhàn)能力、心理素質和部隊整體戰(zhàn)斗力都有著非常重要的意義[1-3]。

目前常用的實彈精度報靶方式主要有聲電定位靶、紅外熱像精度靶、圖像視覺報靶和光電靶等[4-6]。童俊杰等[7]采用壓電式超聲波傳感器作為激波的測量傳感器，利用彈丸在飛行中產(chǎn)生的激波在經(jīng)過不同位置處傳感器時產(chǎn)生的時間差，通過建立合適的數(shù)學模型，結合TDOA定位算法計算出彈著點坐標值。胡雙喜等[8]利用遠紅外攝像頭捕獲的圖像經(jīng)過二值處理、坐標提取后計算彈著點位置，實現(xiàn)自動報靶；苑瑋琦[9]提出一種基于機器視覺技術的實彈報靶系統(tǒng)，系統(tǒng)利用滯后閾值邊緣檢測使得彈孔信息更加明顯，比較前后2幀圖像獲取彈孔位置坐標，從而實現(xiàn)利用實時視頻圖像的實彈報靶功能。其中聲電定位靶精度高，可以滿足全天候使用，但長時間使用存在傳感器易老化、靈敏度降低等問題[10]；紅外熱像精度報靶一般采用紅外熱像儀，成本高，每次更換場地需要重新校準[11]；圖像視覺報靶對光線要求比較高，一般用于室內，且對同一彈孔的彈著點存在漏報現(xiàn)象[12]；光電靶制作成本較高，靶板兩側需要安裝防護鋼板，靶板比較笨重，更換復雜、不便攜[13]。

本文提出一種基于導電橡膠的胸環(huán)方位靶，通過多層貼裝的布局結構，可實現(xiàn)彈著點的時區(qū)和方位報靶。

1 系統(tǒng)組成

整個胸環(huán)方位靶系統(tǒng)主要由特制的胸環(huán)靶板、報靶采集器和射手報靶顯示終端3部分組成，其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 胸環(huán)方位靶系統(tǒng)架構圖

特制的胸環(huán)靶板作為受彈傳感器，子彈穿過靶板的瞬間，由報靶采集器檢測擊中信號，經(jīng)信號處理電路后計算彈著點的環(huán)數(shù)和方位時區(qū)信息，并通過無線傳感器網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送至射手報靶顯示終端，射手報靶顯示終端對命中數(shù)據(jù)進行本地存儲、可視化命中顯示和語音報靶。

2 胸環(huán)靶板設計

胸環(huán)靶板作為整個報靶系統(tǒng)的核心部件之一，其結構組成直接影響能否準確檢測到命中信息。根據(jù)目前公安、部隊相關戰(zhàn)術和考核訓練的需求，胸環(huán)靶板需要同時實現(xiàn)射擊胸環(huán)和射擊方位的同時報靶。

2.1 靶板總體布局

本系統(tǒng)特制的胸環(huán)靶板采用多層貼裝的方式，如圖2所示，一共有9層，包括5個絕緣層和4個導電層，層與層之間通過粘合劑粘貼，粘貼時采用工裝定位，保證粘貼時前后對齊，胸環(huán)圖樣絲網(wǎng)印刷在第一絕緣層的外表面。其中絕緣層采用高彈性、高恢復性的絕緣橡膠板，導電層采用高導電、高彈性和高恢復性的導電橡膠。

圖2 靶板多層結構布局圖

該胸環(huán)靶板需滿足常規(guī)槍械射擊，如92手槍、95步槍等，該槍械的彈頭尺寸長度一般在15～25 mm之間，彈速400～800 m/s，2個導電層之間的絕緣層厚度決定了有效導通時間，時間太短會影響后續(xù)電路信號采集，根據(jù)常規(guī)導電鋁箔靶板的設計經(jīng)驗，絕緣層厚度一般不超過5 mm。胸環(huán)靶板需要對子彈的擊中信號進行獨立的環(huán)數(shù)檢測和方位檢測，2種檢測中間的第三絕緣層厚度不能小于彈頭有效長度。同等力學性能的導電橡膠材料的導電層厚度越大，靶板耐彈量越高，考慮靶板的質量、工藝性及經(jīng)濟性，厚度選擇3 mm。表1為胸環(huán)靶各層的厚度值。

表1 胸環(huán)靶各層厚度值

2.2 環(huán)數(shù)導電層

環(huán)數(shù)導電層分為環(huán)數(shù)正導電層和環(huán)數(shù)負導電層，用于檢測彈著點的環(huán)數(shù)信息。根據(jù)胸環(huán)圖案合理鋪設導電橡膠塊，如圖3和圖4所示。

圖3 環(huán)數(shù)正導電層布局

圖4 環(huán)數(shù)負導電層布局

每個環(huán)數(shù)鋪設形狀由環(huán)數(shù)圖案和導引線組成，2個臨近環(huán)數(shù)之間采用橡膠絕緣帶隔離，其中正導電層所有引線位于靶面左側，負導電層所有引線對稱位于靶面右側。由于導引線與其他環(huán)數(shù)之間存在空間重疊，導引線采用高導電、高恢復特性的薄膜材料和絕緣橡膠片雙層鋪設方式，寬度為2 cm，總厚度為2 mm。當子彈穿過時，通過信號采集電路實時檢測2層導引線之間的導通情況來判斷當前的命中環(huán)數(shù)。

2.3 方位導電層

方位導電層分為方位正導電層和方位負導電層，用于檢測彈著點的方位信息。方位的正負導電層采用同樣的布局設計，如圖5所示。將彈點方位信息分為12個時區(qū)，在方位導電層上的每個時區(qū)鋪設導電橡膠塊，導電橡膠塊通過導引線連接到靶板下方區(qū)域，由于各時區(qū)之間不存在空間重疊，導引線采用單獨高導電、高恢復特性的薄膜材料，相鄰時區(qū)之間采用橡膠絕緣帶隔離；當子彈穿過時，通過信號采集電路實時監(jiān)測方位正導電層各時區(qū)與方位負導電層各時區(qū)之間的導通情況來判斷彈著點的方位信息。

圖5 方位導電層布局

3 報靶采集終端設計

3.1 采集終端總體框架

報靶采集器總體方案如圖6所示，主要功能模塊包括主處理器模塊、信號處理模塊、存儲模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、電量檢測模塊、軟開關模塊、調試配置模塊和供電模塊。

圖6 報靶采集終端總體框架圖

主處理器模塊基于STM32F407VET6設計，該處理器具有豐富的外設資源，時鐘頻率可達168 MHz，滿足對信號采集的要求。

信號處理模塊基于一系列三極管、與門和鎖存器器件搭建，可以實時檢測彈點的命中信號，以I/O口形式與主處理器相連。

存儲模塊選用串行Flash存儲芯片W25Q128，SPI通信模式，標準SPI通信支持時鐘頻率高達104 MHz，存儲空間可達128 MB，用于報靶采集器相關參數(shù)配置和彈點的本地存儲，相關參數(shù)包括靶道號、設備地址和通信速率等。

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊選用有人科技的串口轉WIFI模塊USR-WIFI232-B2，工業(yè)級WIFI模塊，簡單設置后即可實現(xiàn)串口與WIFI之間的雙向透傳。

供電單元選用12 V內嵌式鋰電池，通過線性穩(wěn)壓芯片LM2576轉化為5 V和3.3 V，通過升壓芯片NCP1403將5 V升壓至標準的12 V供信號采集電路使用。

電量采集模塊用于實時監(jiān)測電池電量信息，配合軟開關模塊可實現(xiàn)低電量自動關機功能。

調試配置模塊配合用戶參數(shù)配置軟件，可實現(xiàn)報靶器內部相關參數(shù)的配置，包括靶道號、設備地址和通信速率等。

信號處理模塊作為整個報靶器的核心模塊，根據(jù)胸環(huán)靶板導電層的布局結構來設計信號處理電路，下面重點介紹信號處理模塊。

3.2 信號處理模塊設計

根據(jù)胸環(huán)靶板導電層設計結構，正負導電層各有N個檢測點位，信號電路需要采集正負導電層點位的導通關系來確定彈著點的環(huán)數(shù)和方位信息。該檢測原理與矩陣輸入檢測相似，以環(huán)數(shù)導電層檢測為例，如圖7所示。處于對角線的連接點對應具體的環(huán)數(shù)信息，由于環(huán)數(shù)導引線與其他環(huán)數(shù)存在空間重疊，矩形上的其他連接點也會被檢測到，需要軟件去做過濾。

圖7 環(huán)數(shù)矩形檢測原理圖

根據(jù)矩形檢測原理，本文在設計信號采集電路時，將正導電層的N個點位設計為NPN連接方式，負導電層的N個點位設計為PNP連接方式，一旦正負導電層的某2個點位通過子彈連通，則觸發(fā)相應的MCU對應的引腳電平變化。NPN信號檢測點電路和PNP信號檢測點電路如圖8和圖9所示。RP1連接正導電層導引線，LP1連接負導電層導引線，一旦子彈穿過2個點瞬間，PNP電路的12 V電源信號經(jīng)過R1和R7分壓，NPN的輸入電壓提升至4 V左右，V4打開，HCRP1信號由默認的拉高變成拉低，PNP的輸入電壓和NPN一致，R1端的壓差為8 V左右，V1打開，12 V信號經(jīng)過R3接到V2輸入，V2打開，HCPL1信號由默認的拉高變成拉低。

圖8 NPN信號檢測點原理圖

圖9 PNP信號檢測點原理圖

由于正負導電層之間的間隙是一致的，在子彈穿透靶板靶板有效區(qū)域時，必定會在1個或多個導電層的導引信號輸入從高電平變成低電平，以正導電層為例，將所有NPN處理后的信號接入到與門電路和鎖存電路，如圖10和圖11所示。與門電路的輸出TRIG作為單片機信號檢測的觸發(fā)點，一旦檢測到與門輸出為低電平，單片機控制鎖存器的使能引腳，采集當前時刻所有信號的高低電平，尋找矩陣檢測的對角輸入來獲得當前的環(huán)數(shù)信息，若存在2 個環(huán)數(shù)信息，按照報高環(huán)數(shù)的原則。

圖10 信號與門處理電路圖

圖11 信號鎖存電路圖

方位層檢測與環(huán)數(shù)層檢測原理一致，這里不再贅述。

4 報靶顯示終端設計

報靶顯示終端供射手端查看射擊成績，通過無線模塊接收來自報靶采集器的彈點數(shù)據(jù)。該終端在三防儀器儀表箱基礎上進行改造，采用翻蓋式設計，上蓋內嵌可觸摸屏幕，下箱體放置控制電路板、電池、語音播報模塊、通信模塊，整體達到IP67防護等級，滿足野外惡劣條件下射擊訓練要求。整體系統(tǒng)框架如圖12所示，主要包括主處理器模塊、語音播報模塊、觸摸屏模塊、軟開關模塊、調試配置模塊、WIFI通信模塊、電量檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、程序升級模塊和供電模塊。

圖12 報靶顯示終端系統(tǒng)框架圖

其中主處理器模塊、軟開關模塊、調試配置模塊、WIFI通信模塊、電量檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和供電模塊與報靶采集終端選型基本一致，這里不再贅述，下面重點闡述下語音模塊和觸摸屏模塊。

語音模塊用于報靶語音輸出，提醒射手當前的命中信息，選用內嵌的串口語音模塊搭配2個5 Ω、-2 W的喇叭，音量可達80 dB，滿足野外訓練聲音傳輸需求。

觸摸屏模塊用于可視化展示彈點信息，選用10.1 in串口觸摸屏，支持彈點緩存、動態(tài)回放等功能。

5 報靶測試驗證

本文根據(jù)上述技術方案設計了原理樣機，圖13所示為導電胸環(huán)方位靶，圖14所示為報靶顯示終端。

圖13 胸環(huán)方位靶板

圖14 射手報靶顯示終端

在浙江某公安局靶場搭建調試環(huán)境并進行多輪實彈測試，靶面受彈圖片和實際報靶顯示終端彈著點如圖15和圖16所示，報靶準確率為100%。顯示界面中的彈著點并非彈點真實位置，它是由彈點對應環(huán)數(shù)和時區(qū)計算得到的中心位置。

圖15 靶面彈點分布圖

圖16 射手顯示終端彈點顯示圖

6 結語

本文提出一種基于導電橡膠的胸環(huán)方位靶自動報靶技術，可以實現(xiàn)彈著點環(huán)數(shù)和方位的精確判定。

1）設計一種基于導電橡膠的多層胸環(huán)靶板，分為環(huán)數(shù)導電層和方位導電層，通過合理布設導電橡膠塊和絕緣塊，完成整個靶板的設計。

2）根據(jù)胸環(huán)靶板導電層的布局結構來設計信號處理電路，通過采集正負導電層導引線點位的導通關系來確定彈著點的環(huán)數(shù)和方位信息。

3）設計一種射手報靶顯示終端，對彈著點數(shù)據(jù)進行本地存儲，可視化顯示命中信息和語音報靶。

4）實彈測試表明，基于導電橡膠的胸環(huán)方位靶自動報靶技術方案是可行的，報靶準確率高，具有很好的應用前景。