徐曉霞

（西安工商學(xué)院，陜西西安，710200）

關(guān)鍵字：自循跡；靶車；AVR利用

0 引言

本文研究的是長(zhǎng)約80cm、寬約60cm、高約50cm的自循跡移動(dòng)靶車。在使用中為了防止被子彈損壞，自循跡移動(dòng)靶車總重量超過160公斤，車身用厚度接近0.3m的鋼板制成，為了安全車身外側(cè)加上橡膠層防護(hù)。這樣一來自循跡移動(dòng)靶車相當(dāng)沉重，如果靶車在運(yùn)行和靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)需要克服強(qiáng)大的慣性作用。運(yùn)行速度如果太快，可能會(huì)導(dǎo)致失控沖出路線或不能定點(diǎn)停位。所以靶車的移動(dòng)速度應(yīng)有一定的限制，保證靶車在定點(diǎn)停位時(shí)不會(huì)因慣性移動(dòng)的的距離過大。綜合分析靶車自身的物理參數(shù)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，當(dāng)靶車的移動(dòng)速度低于2m/s時(shí)，停位距離在10cm的偏差范圍內(nèi)都可認(rèn)為靶車準(zhǔn)確停位。本文研究的自循跡移動(dòng)靶車控制系統(tǒng)，將適合于部隊(duì)、公安、武警部門以及一些特殊的訓(xùn)練場(chǎng)所使用。

1 系統(tǒng)工作原理

針對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)靶車軌道鋪設(shè)的不便，本文研究一種以攝像頭為信息采集模塊的色帶引導(dǎo)式自循跡移動(dòng)靶車。該自循跡移動(dòng)靶車控制系統(tǒng)包含有三個(gè)子模塊，分別是信息采集模塊，控制決策模塊及動(dòng)力系統(tǒng)模塊。其中信息采集模塊由光電傳感器陣列組成，主要鎖定循跡靶車初始的位置；控制決策模塊利用PID算法實(shí)現(xiàn)靶車的穩(wěn)定有序工作。動(dòng)力系統(tǒng)模塊利用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流電機(jī)PMW轉(zhuǎn)速的控制。具體實(shí)現(xiàn)過程：攝像頭采集靶車的當(dāng)前信息，通過程序算法對(duì)信息分析和整合，得出最優(yōu)路徑實(shí)現(xiàn)靶車自循跡功能。當(dāng)路徑出錯(cuò)時(shí)及時(shí)由動(dòng)力系統(tǒng)模塊控制直流電機(jī)做出相應(yīng)的補(bǔ)償。自循跡移動(dòng)靶車控制系統(tǒng)可分為硬件電路和控制軟件兩部分。系統(tǒng)以主控芯片為核心，配套采集模塊、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以測(cè)速模塊組成了靶車控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)軟件主要是檢測(cè)道路信息并經(jīng)過算法處理使執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠協(xié)調(diào)工作。

圖1 系統(tǒng)總體信息流圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件框圖主要包含電源管理模塊、調(diào)試模塊、圖像采集模塊、主機(jī)控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、無線通信模塊和測(cè)試模塊。圖像采集模塊采用市場(chǎng)上成熟的C3008模塊來完成。OV6620CMOS攝像頭傳感器，不但行場(chǎng)同步中斷信號(hào)可以直接輸出，并且內(nèi)部自動(dòng)圖像增強(qiáng),亮度、對(duì)比度、伽馬、飽和度、銳度、加窗等，對(duì)于圖像的識(shí)別十分有利，可使靶車適應(yīng)于不同的應(yīng)用環(huán)境。主機(jī)控制電路由Mega128最小系統(tǒng)構(gòu)成，包括電源系統(tǒng)、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)、復(fù)位及復(fù)位配置系統(tǒng)和調(diào)試測(cè)試接口，是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。因?yàn)镸ega128可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器，內(nèi)部的定時(shí)器采用相頻修正PWM模式，輸出高精度的PWM波形和準(zhǔn)確的相位、頻率，同時(shí)內(nèi)部含有大容量的程序存儲(chǔ)器，硬件接口電路多，所以電機(jī)調(diào)速控制大多采用它。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用的電機(jī)為帶有減速器的大功率直流有刷電機(jī)。由于普通的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器沒有換向裝置，所以在驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間利用兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向功能。為了使電機(jī)能夠快速并安全的換向,控制換向的繼電器采用互鎖的連接方式。為了使靶車斷電時(shí)能夠及時(shí)停位，電機(jī)和繼電器的繞組串聯(lián)起來以形成回路,這樣當(dāng)靶車到位停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，慣性沖力會(huì)使電機(jī)發(fā)電，形成的反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)阻礙靶車的慣性移動(dòng)，會(huì)使靶車的慣性沖力被自身所消耗。靶車和與上位機(jī)之間的信息交換是通過無線數(shù)據(jù)傳模塊實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用JZ862微功率無線數(shù)傳模塊，可以更快速、準(zhǔn)確傳輸信息。同時(shí)采用兩節(jié)12V蓄電池為系統(tǒng)提供能量，選用了350W/24V，型號(hào)MY1016Z3的直流電機(jī)，以O(shè)V6620攝像頭模塊作為路徑信息采集元件。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可分為主程序和循跡模塊兩部分。系統(tǒng)的主程序包含采集接收上位機(jī)的移動(dòng)指令、檢測(cè)電池用量以及監(jiān)測(cè)目標(biāo)點(diǎn)。工作流程如下：首先完成初始化功能，接著等待上位機(jī)命令。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)不動(dòng)做，反之進(jìn)入while(1)循環(huán)，直到檢測(cè)出當(dāng)前點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)一致時(shí)，退出循環(huán)并保持等待狀態(tài)。以此類推，系統(tǒng)最終都會(huì)停位在目標(biāo)點(diǎn)上。主程序的流程圖如圖3所示。

圖3 主程序流程圖

系統(tǒng)的循跡算法是在中斷程序中完成，包含有數(shù)據(jù)采集、圖像處理和PID電機(jī)控制系統(tǒng)等模塊。數(shù)據(jù)采集時(shí)用奇場(chǎng)，圖像處理時(shí)用偶場(chǎng)，圖像處理涵蓋濾波、二值化、圖像校正，經(jīng)過分析處理，提取出引導(dǎo)線，調(diào)整靶車的運(yùn)動(dòng)方位，達(dá)到實(shí)時(shí)處理，最終實(shí)現(xiàn)自循跡。工作流程如下：首先靶車按照規(guī)定的路徑移動(dòng)到目標(biāo)位置，接著利用攝像頭靶車在任意時(shí)刻都清楚自己的位置，通過一定的算法實(shí)現(xiàn)下一步該如何動(dòng)作。當(dāng)靶車在移動(dòng)的過程中出現(xiàn)偏離預(yù)定路線的狀況，通過中斷程序加以糾正，最終保證靶車順利回歸預(yù)定路徑。為了確保動(dòng)力機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)路徑信息及時(shí)做出響應(yīng)，整個(gè)循跡過程場(chǎng)在中斷中完成。循跡流程如圖4所示。

圖4 循跡流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

裝配好整個(gè)靶車，在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行綜合調(diào)試，使靶車移動(dòng)速度低于1.9m/s、“軌道”曲率小于0.26的情況下，靶車能夠接收上位機(jī)的命令按照預(yù)設(shè)軌跡前進(jìn)、后退與定點(diǎn)停位。當(dāng)靶車偏離預(yù)設(shè)軌跡時(shí)能夠自主糾偏并回到“軌道”上來；能夠顯示當(dāng)前電源的電量，當(dāng)電量不足時(shí)，蜂鳴器能夠報(bào)警,提醒人們及時(shí)給電池充電。具體操作如下：預(yù)先以一個(gè)很低的運(yùn)行靶車速度運(yùn)行直至給定目標(biāo)點(diǎn)，接著再緩慢地提高靶車移動(dòng)的速度運(yùn)行至目標(biāo)點(diǎn)，在此過程中觀測(cè)靶車在何種速度下會(huì)脫離引導(dǎo)線，進(jìn)行多次重復(fù)操作，根據(jù)反饋結(jié)果調(diào)整控制算法，直到靶車可以在允許的誤差范圍內(nèi)運(yùn)行，并且運(yùn)行循跡可靠，運(yùn)行速度平穩(wěn)為止。我們?cè)谝?guī)定的靶場(chǎng)環(huán)境下測(cè)試，得到靶車運(yùn)行的測(cè)試數(shù)據(jù)，有用數(shù)據(jù)包含運(yùn)動(dòng)速度和路徑識(shí)別度等，同時(shí)利用程序把運(yùn)行速度的極大值顯示出來并保存在RAM中。在測(cè)試長(zhǎng)度26m、曲率小于0.26/m時(shí)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試速度和停位誤差

分析測(cè)試數(shù)據(jù)可知，當(dāng)自循跡靶車在直道移動(dòng)時(shí)，速度可接近最高預(yù)設(shè)速度（2m/s），此時(shí)雖然停位誤差較大，但能夠保持在系統(tǒng)允許的誤差范圍（小于0.1m）內(nèi)；在彎道移動(dòng)時(shí)，雖然靶車的速度和停位誤差均隨引導(dǎo)線曲率的減小有所增加，但系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性得到加強(qiáng)?？傊?，在系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)靶車能夠?qū)崿F(xiàn)自循跡功能。

5 結(jié)論

基于傳統(tǒng)軌道式移動(dòng)靶車的種種缺陷，本論文研究的是一種基于OV6620攝像頭的自循跡移動(dòng)靶車控制系統(tǒng)。自循跡移動(dòng)靶車采用無線遙控方式和無軌運(yùn)動(dòng)方式，不但可以實(shí)現(xiàn)直線、曲線等多向運(yùn)動(dòng)模式，還可以快速變更移動(dòng)路線，具有靈活機(jī)動(dòng)特性。同時(shí)，為了滿足多科目射擊的需求，根據(jù)訓(xùn)練項(xiàng)目要求隨時(shí)需要調(diào)整靶機(jī)的距離用于滿足訓(xùn)練項(xiàng)目的要求。所以它是進(jìn)行常規(guī)及特種射擊訓(xùn)練必備的現(xiàn)代射擊設(shè)備。