0 引言

    在武警、軍隊的訓練科目之中，射擊是必不可少的環節。隨著我國建設信息化部隊步伐的加快，傳統的人工報靶方式因存在安全性差、精度低、統計復雜等缺點，已經難以滿足國家建設現代化部隊的要求。發達國家電子報靶產品出現較早、種類多，但是大多造價昂貴，不適合大量引進。在這種背景下，國內各種電子報靶設備相繼出現，包括視頻報靶、聲電定位報靶等。這些設備在一定程度上提高了報靶的效率和安全性^[1-3]，但其中多數存在維護困難、設備笨重等缺點，無法適應野外環境的復雜性，不宜在野外推廣。

    單片機具有體積小、穩定可靠、功耗小等優點，本文運用激光坐標定位原理^[4]，設計了一款以單片機為控制核心的適用于野外打靶訓練任務的報靶系統。

1 坐標計算原理

    如圖1所示，以胸環靶為例(單位mm)，靶紙尺寸為500×500，以靶紙左下角為原點，靶心坐標(240，210)，自動報靶系統主要由靶紙、控制系統和靶體構成，靶體包括前后兩個平行同心靶面，每一個靶面內有一個激光發射器和一個L型光敏陣列，兩個一字激光發射器分別位于兩靶面的左右下角，在每一個靶面內與激光發射器對角的位置放置L型光敏陣列，一字激光照射在光敏陣列上。光敏元件、激光發射器、控制器全部隱藏在鋼制靶體內部，以保證其不被彈丸損壞。

    射擊時彈丸以500~1 000 m/s的速度先后穿過前后兩個平行同心靶面，在極小的時間差內分別遮擋位于前后靶面的激光束，在前后兩個L型光敏陣列上形成無激光照射段，鎖存元件通過光敏陣列將投影記錄下來，控制系統讀取此信號并完成坐標計算等功能。

    將前后兩個平行靶面簡化如圖2所示。

    O、A′為兩個激光發射器的出射點，d、d′表示彈丸，O′C′B′與ABC為L型光敏器陣列，L₁、L₂、L₃、L₄分別為彈丸邊緣與激光出射點構成的直線，L_A、L_B分別是彈丸中心與兩出射點構成的直線。M₁、M₂、M₃、M₄分別是L₁、L₂、L₃、L₄與L型光敏陣列的交點。

    將兩投射面向同一面內投影，并將部分直線斜率與角度標出，如圖3所示。

    圖3中坐標：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O、A構成的直線，M₁、M₂、M₃、M₄分別為L₁、L₂、L₃、L₄與OABC的交點，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構成的直線，K₅、K₆分別為L_A、L_B的斜率，∠a、∠b、∠c分別為L₁、L₂、L_A與x軸正方向形成的夾角。L_A為L₁與L₂夾角的角平分線，L_B為L₃與L₄夾角的角平分線。根據圖示關系可得出公式：

2 控制系統設計

    控制系統的主要功能是獲取上述M₁、M₂、M₃、M₄坐標，完成數據的通信、彈著點坐標計算及顯示。按照功能劃分，系統的上、下位機主要分為四個子系統：信號采集系統、通信系統、彈著點坐標計算系統、靶面彈著點顯示系統。控制系統構成圖如圖4所示。

2.1 信號采集系統

    信號采集系統的主要功能是快速捕捉信號并獲取M₁、M₂、M₃、M₄的坐標。信號采集系統主要由4個控制核心STC11F16XE、40個74LS165芯片、320個光敏元件及中斷擴展電路構成，其中每個STC11F16XE控制10個74LS165，每個74LS165負責8個光敏元件的信號鎖存及串行輸出，320個光敏元件與二極管一起構成中斷擴展電路。中斷擴展電路如圖5所示。

    中斷擴展電路反映出自動報靶系統是否有子彈入射，以實現STC11F16XE工作狀態的切換：休眠模式、快速響應模式。無子彈入射時， STC11F16XE休眠，只開啟必備的通信功能。子彈入射時， STC11F16XE在一個機器周期內即被喚醒，控制74LS165第一時間讀入光敏元件狀態，并在2 μs內鎖存信號。STC11F16XE將數據讀入，并計算出M₁、M₂、M₃、M₄坐標。國產的AK步槍子彈出膛速度為1 000 m/s，彈頭長度5 cm，光敏元件激光感應頭極小，忽略其尺寸，則子彈穿越激光靶產生的有效信號持續時間為5 μs，信號持續時間大于大鎖存時間，信號可被及時捕捉。

2.2 通信系統

    野外自動報靶系統的通信系統主要分為三部分：下位機之間的多機通信^[5-6]、下位機與上位機的無線通信、上位機組態王與Visual Basic的通信。主要功能是將M₁、M₂、M₃、M₄坐標傳送給上位機，完成彈著點坐標的計算并遠程顯示在彈著點靶面界面上。

    多機通信主要包括下位機中作為分機的4個STC11F16XE和一個作為主機的STC12C5A60S2，主分機通過RS232串口進行通信。其中主機STC12C5A60S2具有雙串口，起到數據中間站的作用，負責獲取STC11F16XE計算出的M₁、M₂、M₃、M₄坐標并將其整理打包傳給無線發送模塊。各分機被編號為1、2、3、4(1號分機計算M₁，2號分機計算M₂，依次類推)，主機循環呼叫各分機，采用下位機總機主動呼叫、被動接收，分機被動呼叫、主動發送的通信模式，即：主機呼叫1號分機，各分機收到呼叫并與本機編號進行對比， 1號分機對比本機編號正確，其余分機忽略呼叫。若1號分機被呼叫時計算出有效M₁值，則主動應答呼叫，將數據傳送給主機；否則忽略本次呼叫。主機繼續呼叫2、3、4號分機，重復上述過程，主機將收集到的各分機信息通過無線發送模塊發送給上位機進行坐標計算。

    下位機與上位機采用無線通信，主要功能是實現遠程顯示、無線操作，保證人員的安全。本系統采用EKI-1352無線通信模塊，有效傳輸距離為200 m。Visual Basic取數據，計算彈丸坐標，并且將計算出的數據通過標準DDE通信傳送給組態王上位機彈丸靶面顯示界面。

2.3 彈著點坐標計算系統

    由第1節中的推導公式可以看出，彈丸坐標的得出涉及大量的計算需要占用大量的系統內存，為了保證下位機的響應速度，彈丸坐標計算在上位機PC平臺上采用Visual Basic進行。坐標計算流程如圖6所示。

2.4 靶面彈著點顯示系統

    本系統以組態王6.52為基礎，Visual Basic計算完成的數據經過標準DDE設備被組態王讀取，將此點顯示到靶面的相應位置，并將射擊人員姓名、班級、性別等相關信息與射擊成績一同存儲在建立好的Access數據庫中，支持查詢、打印等功能。

3 誤差分析

    對不同位置的射擊數據進行統計，得出的系統計算值與實際測量值如表1所示。

    把兩組數據在同一坐標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，進一步處理數據d_i，d_i的表達式為式(15)，并求出平均值d_x如表2所示。

    胸環靶每環寬度為50 mm，故平均誤差為1/25環，誤差來源主要是由于激光頭、傳感器安裝誤差，理論計算誤差與測量誤差。考慮通過提高機械本體加工精度、減小安裝誤差、進一步細化理論推導等方法來提高系統的精度。

4 結束語

    本文采用激光定位、嵌入式處理系統加PC上位機(Access、Visual Basic、組態王)的激光靶自動報靶系統，能夠精確地計算彈著點坐標，誤差為2.1 mm，響應時間小于2 μs，實現了數據的遠程傳送，實時、直觀的顯示以及結果的貯存、統計。該系統功能強大，設備輕便，成本低廉，可靠性高，適應性強，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

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