0 引言

    在武警、军队的训练科目之中，射击是必不可少的环节。随着我国建设信息化部队步伐的加快，传统的人工报靶方式因存在安全性差、精度低、统计复杂等缺点，已经难以满足国家建设现代化部队的要求。发达国家电子报靶产品出现较早、种类多，但是大多造价昂贵，不适合大量引进。在这种背景下，国内各种电子报靶设备相继出现，包括视频报靶、声电定位报靶等。这些设备在一定程度上提高了报靶的效率和安全性^[1-3]，但其中多数存在维护困难、设备笨重等缺点，无法适应野外环境的复杂性，不宜在野外推广。

    单片机具有体积小、稳定可靠、功耗小等优点，本文运用激光坐标定位原理^[4]，设计了一款以单片机为控制核心的适用于野外打靶训练任务的报靶系统。

1 坐标计算原理

    如图1所示，以胸环靶为例(单位mm)，靶纸尺寸为500×500，以靶纸左下角为原点，靶心坐标(240，210)，自动报靶系统主要由靶纸、控制系统和靶体构成，靶体包括前后两个平行同心靶面，每一个靶面内有一个激光发射器和一个L型光敏阵列，两个一字激光发射器分别位于两靶面的左右下角，在每一个靶面内与激光发射器对角的位置放置L型光敏阵列，一字激光照射在光敏阵列上。光敏元件、激光发射器、控制器全部隐藏在钢制靶体内部，以保证其不被弹丸损坏。

    射击时弹丸以500~1 000 m/s的速度先后穿过前后两个平行同心靶面，在极小的时间差内分别遮挡位于前后靶面的激光束，在前后两个L型光敏阵列上形成无激光照射段，锁存元件通过光敏阵列将投影记录下来，控制系统读取此信号并完成坐标计算等功能。

    将前后两个平行靶面简化如图2所示。

    O、A′为两个激光发射器的出射点，d、d′表示弹丸，O′C′B′与ABC为L型光敏器阵列，L₁、L₂、L₃、L₄分别为弹丸边缘与激光出射点构成的直线，L_A、L_B分别是弹丸中心与两出射点构成的直线。M₁、M₂、M₃、M₄分别是L₁、L₂、L₃、L₄与L型光敏阵列的交点。

    将两投射面向同一面内投影，并将部分直线斜率与角度标出，如图3所示。

    图3中坐标：O(0，0)，A(500，0)，B(500，500)，C(0，500)，L₁、L₂、L₃、L₄为弹丸边缘与两激光出射点O、A构成的直线，M₁、M₂、M₃、M₄分别为L₁、L₂、L₃、L₄与OABC的交点，K₁、K₂、K₃、K₄分别为直线L1、L2、L3、L4的斜率，L_A、L_B为弹丸中心与激光出射点构成的直线，K₅、K₆分别为L_A、L_B的斜率，∠a、∠b、∠c分别为L₁、L₂、L_A与x轴正方向形成的夹角。L_A为L₁与L₂夹角的角平分线，L_B为L₃与L₄夹角的角平分线。根据图示关系可得出公式：

2 控制系统设计

    控制系统的主要功能是获取上述M₁、M₂、M₃、M₄坐标，完成数据的通信、弹着点坐标计算及显示。按照功能划分，系统的上、下位机主要分为四个子系统：信号采集系统、通信系统、弹着点坐标计算系统、靶面弹着点显示系统。控制系统构成图如图4所示。

2.1 信号采集系统

    信号采集系统的主要功能是快速捕捉信号并获取M₁、M₂、M₃、M₄的坐标。信号采集系统主要由4个控制核心STC11F16XE、40个74LS165芯片、320个光敏元件及中断扩展电路构成，其中每个STC11F16XE控制10个74LS165，每个74LS165负责8个光敏元件的信号锁存及串行输出，320个光敏元件与二极管一起构成中断扩展电路。中断扩展电路如图5所示。

    中断扩展电路反映出自动报靶系统是否有子弹入射，以实现STC11F16XE工作状态的切换：休眠模式、快速响应模式。无子弹入射时， STC11F16XE休眠，只开启必备的通信功能。子弹入射时， STC11F16XE在一个机器周期内即被唤醒，控制74LS165第一时间读入光敏元件状态，并在2 μs内锁存信号。STC11F16XE将数据读入，并计算出M₁、M₂、M₃、M₄坐标。国产的AK步枪子弹出膛速度为1 000 m/s，弹头长度5 cm，光敏元件激光感应头极小，忽略其尺寸，则子弹穿越激光靶产生的有效信号持续时间为5 μs，信号持续时间大于大锁存时间，信号可被及时捕捉。

2.2 通信系统

    野外自动报靶系统的通信系统主要分为三部分：下位机之间的多机通信^[5-6]、下位机与上位机的无线通信、上位机组态王与Visual Basic的通信。主要功能是将M₁、M₂、M₃、M₄坐标传送给上位机，完成弹着点坐标的计算并远程显示在弹着点靶面界面上。

    多机通信主要包括下位机中作为分机的4个STC11F16XE和一个作为主机的STC12C5A60S2，主分机通过RS232串口进行通信。其中主机STC12C5A60S2具有双串口，起到数据中间站的作用，负责获取STC11F16XE计算出的M₁、M₂、M₃、M₄坐标并将其整理打包传给无线发送模块。各分机被编号为1、2、3、4(1号分机计算M₁，2号分机计算M₂，依次类推)，主机循环呼叫各分机，采用下位机总机主动呼叫、被动接收，分机被动呼叫、主动发送的通信模式，即：主机呼叫1号分机，各分机收到呼叫并与本机编号进行对比， 1号分机对比本机编号正确，其余分机忽略呼叫。若1号分机被呼叫时计算出有效M₁值，则主动应答呼叫，将数据传送给主机；否则忽略本次呼叫。主机继续呼叫2、3、4号分机，重复上述过程，主机将收集到的各分机信息通过无线发送模块发送给上位机进行坐标计算。

    下位机与上位机采用无线通信，主要功能是实现远程显示、无线操作，保证人员的安全。本系统采用EKI-1352无线通信模块，有效传输距离为200 m。Visual Basic取数据，计算弹丸坐标，并且将计算出的数据通过标准DDE通信传送给组态王上位机弹丸靶面显示界面。

2.3 弹着点坐标计算系统

    由第1节中的推导公式可以看出，弹丸坐标的得出涉及大量的计算需要占用大量的系统内存，为了保证下位机的响应速度，弹丸坐标计算在上位机PC平台上采用Visual Basic进行。坐标计算流程如图6所示。

2.4 靶面弹着点显示系统

    本系统以组态王6.52为基础，Visual Basic计算完成的数据经过标准DDE设备被组态王读取，将此点显示到靶面的相应位置，并将射击人员姓名、班级、性别等相关信息与射击成绩一同存储在建立好的Access数据库中，支持查询、打印等功能。

3 误差分析

    对不同位置的射击数据进行统计，得出的系统计算值与实际测量值如表1所示。

    把两组数据在同一坐标系下绘制成曲线如图7所示。

    如图7所示两条曲线基本上吻合，进一步处理数据d_i，d_i的表达式为式(15)，并求出平均值d_x如表2所示。

    胸环靶每环宽度为50 mm，故平均误差为1/25环，误差来源主要是由于激光头、传感器安装误差，理论计算误差与测量误差。考虑通过提高机械本体加工精度、减小安装误差、进一步细化理论推导等方法来提高系统的精度。

4 结束语

    本文采用激光定位、嵌入式处理系统加PC上位机(Access、Visual Basic、组态王)的激光靶自动报靶系统，能够精确地计算弹着点坐标，误差为2.1 mm，响应时间小于2 μs，实现了数据的远程传送，实时、直观的显示以及结果的贮存、统计。该系统功能强大，设备轻便，成本低廉，可靠性高，适应性强，具有广阔的应用前景。

参考文献

[1] 刘海军.基于激光靶的轻武器自动报靶系统的研究与设计[D].长沙：国防科学技术大学，2006.

[2] 崔春雷.军用自动报靶系统中图像识别技术的研究[D].大连：大连海事大学，2004.

[3] 马金奎.基于ARM-Linux机器视觉的军用自动报靶系统的研究[D].济南：山东大学，2009.

[4] 交汇式激光精度靶及其测试方法[P].中国.ZL20121000，5244.X.2012．

[5] 胡健．单片机原理及接口技术[M]．北京：机械工业出版社，2004：30-35.

[6] 李朝青．单片机&DSP 外围数字 IC 技术手册[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003：20-26.