自循迹移动靶车控制系统的设计

徐晓霞

（西安工商学院，陕西西安，710200）

关键字：自循迹；靶车；AVR利用

0 引言

本文研究的是长约80cm、宽约60cm、高约50cm的自循迹移动靶车。在使用中为了防止被子弹损坏，自循迹移动靶车总重量超过160公斤，车身用厚度接近0.3m的钢板制成，为了安全车身外侧加上橡胶层防护。这样一来自循迹移动靶车相当沉重，如果靶车在运行和静止状态转化时需要克服强大的惯性作用。运行速度如果太快，可能会导致失控冲出路线或不能定点停位。所以靶车的移动速度应有一定的限制，保证靶车在定点停位时不会因惯性移动的的距离过大。综合分析靶车自身的物理参数和驱动电机的相关参数，当靶车的移动速度低于2m/s时，停位距离在10cm的偏差范围内都可认为靶车准确停位。本文研究的自循迹移动靶车控制系统，将适合于部队、公安、武警部门以及一些特殊的训练场所使用。

1 系统工作原理

针对传统移动靶车轨道铺设的不便，本文研究一种以摄像头为信息采集模块的色带引导式自循迹移动靶车。该自循迹移动靶车控制系统包含有三个子模块，分别是信息采集模块，控制决策模块及动力系统模块。其中信息采集模块由光电传感器阵列组成，主要锁定循迹靶车初始的位置；控制决策模块利用PID算法实现靶车的稳定有序工作。动力系统模块利用程序实现对直流电机PMW转速的控制。具体实现过程：摄像头采集靶车的当前信息，通过程序算法对信息分析和整合，得出最优路径实现靶车自循迹功能。当路径出错时及时由动力系统模块控制直流电机做出相应的补偿。自循迹移动靶车控制系统可分为硬件电路和控制软件两部分。系统以主控芯片为核心，配套采集模块、执行驱动机构以测速模块组成了靶车控制系统的硬件结构；系统软件主要是检测道路信息并经过算法处理使执行机构能够协调工作。

图1 系统总体信息流图

2 系统硬件设计

系统的硬件框图主要包含电源管理模块、调试模块、图像采集模块、主机控制电路、电机驱动模块、无线通信模块和测试模块。图像采集模块采用市场上成熟的C3008模块来完成。OV6620CMOS摄像头传感器，不但行场同步中断信号可以直接输出，并且内部自动图像增强,亮度、对比度、伽马、饱和度、锐度、加窗等，对于图像的识别十分有利，可使靶车适应于不同的应用环境。主机控制电路由Mega128最小系统构成，包括电源系统、存储器系统、时钟系统、复位及复位配置系统和调试测试接口，是整个控制系统的核心。因为Mega128可以直接驱动继电器，内部的定时器采用相频修正PWM模式，输出高精度的PWM波形和准确的相位、频率，同时内部含有大容量的程序存储器，硬件接口电路多，所以电机调速控制大多采用它。电机驱动模块采用的电机为带有减速器的大功率直流有刷电机。由于普通的电机驱动器没有换向装置，所以在驱动器和电机之间利用两个继电器实现电机的换向功能。为了使电机能够快速并安全的换向,控制换向的继电器采用互锁的连接方式。为了使靶车断电时能够及时停位，电机和继电器的绕组串联起来以形成回路,这样当靶车到位停止运动时，惯性冲力会使电机发电，形成的反向电动势会阻碍靶车的惯性移动，会使靶车的惯性冲力被自身所消耗。靶车和与上位机之间的信息交换是通过无线数据传模块实现，系统采用JZ862微功率无线数传模块，可以更快速、准确传输信息。同时采用两节12V蓄电池为系统提供能量，选用了350W/24V，型号MY1016Z3的直流电机，以OV6620摄像头模块作为路径信息采集元件。

图2 硬件系统框图

3 系统软件设计

系统软件可分为主程序和循迹模块两部分。系统的主程序包含采集接收上位机的移动指令、检测电池用量以及监测目标点。工作流程如下：首先完成初始化功能，接着等待上位机命令。当系统检测到当前点为目标点时系统不动做，反之进入while(1)循环，直到检测出当前点和目标点一致时，退出循环并保持等待状态。以此类推，系统最终都会停位在目标点上。主程序的流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

系统的循迹算法是在中断程序中完成，包含有数据采集、图像处理和PID电机控制系统等模块。数据采集时用奇场，图像处理时用偶场，图像处理涵盖滤波、二值化、图像校正，经过分析处理，提取出引导线，调整靶车的运动方位，达到实时处理，最终实现自循迹。工作流程如下：首先靶车按照规定的路径移动到目标位置，接着利用摄像头靶车在任意时刻都清楚自己的位置，通过一定的算法实现下一步该如何动作。当靶车在移动的过程中出现偏离预定路线的状况，通过中断程序加以纠正，最终保证靶车顺利回归预定路径。为了确保动力机构能够根据路径信息及时做出响应，整个循迹过程场在中断中完成。循迹流程如图4所示。

图4 循迹流程图

4 系统测试及分析

装配好整个靶车，在实验场地进行综合调试，使靶车移动速度低于1.9m/s、“轨道”曲率小于0.26的情况下，靶车能够接收上位机的命令按照预设轨迹前进、后退与定点停位。当靶车偏离预设轨迹时能够自主纠偏并回到“轨道”上来；能够显示当前电源的电量，当电量不足时，蜂鸣器能够报警,提醒人们及时给电池充电。具体操作如下：预先以一个很低的运行靶车速度运行直至给定目标点，接着再缓慢地提高靶车移动的速度运行至目标点，在此过程中观测靶车在何种速度下会脱离引导线，进行多次重复操作，根据反馈结果调整控制算法，直到靶车可以在允许的误差范围内运行，并且运行循迹可靠，运行速度平稳为止。我们在规定的靶场环境下测试，得到靶车运行的测试数据，有用数据包含运动速度和路径识别度等，同时利用程序把运行速度的极大值显示出来并保存在RAM中。在测试长度26m、曲率小于0.26/m时，测试现场数据如表1。

表1 现场测试速度和停位误差

分析测试数据可知，当自循迹靶车在直道移动时，速度可接近最高预设速度（2m/s），此时虽然停位误差较大，但能够保持在系统允许的误差范围（小于0.1m）内；在弯道移动时，虽然靶车的速度和停位误差均随引导线曲率的减小有所增加，但系统的可靠性与稳定性得到加强。总之，在系统要求的范围内靶车能够实现自循迹功能。

5 结论

基于传统轨道式移动靶车的种种缺陷，本论文研究的是一种基于OV6620摄像头的自循迹移动靶车控制系统。自循迹移动靶车采用无线遥控方式和无轨运动方式，不但可以实现直线、曲线等多向运动模式，还可以快速变更移动路线，具有灵活机动特性。同时，为了满足多科目射击的需求，根据训练项目要求随时需要调整靶机的距离用于满足训练项目的要求。所以它是进行常规及特种射击训练必备的现代射击设备。