激光枪自动射击装置设计报告.docx
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激光枪自动射击装置设计报告
激光枪自动射击装置设计报告
摘要
本系统以飞思卡尔单片机MC9S12XS128作为主控制芯片，通过数字摄像头OV7620采集靶面图像，进行图像信息的处理，得到靶面上弹着点的位置信息，并在OLED上显示弹着点的环数、方位。
同时为了方便摄像头的图像的校准，设计了激光三点定位装置。
另外设计了以步进电机和直流减速电机驱动的二维激光头移动调节架，通过按键控制可实现激光点在靶面上的移动、自动中心打靶、定位打靶。
关键词：
激光打靶单片机数字摄像头步进电机
Abstract
ThissystemadoptstheFreescaleMCU（MC9S12XS128）asthecoreprocessingchip,targetsurfaceimagearegainedbythedigitalcameraOV7620,thespotpositioninformationonthetargetisgotaftertheimageinformationprocessing,theringnumberandlocationaredisplayedontheOLED.Atthesametime,inordertofacilitatetheimageofthecalibrationofcameras,thelaserat3o'clockpositioningdeviceisdesigned.Inaddition,stepmotorandDCgearmotoraredesignedtodrive2Dpositioncontrolframe,itcanberealizedthroughthekeycontrolthatthelaserspotonthetargetmobile,automatictargetandhitthebull's-eye,automaticpositioning.
Keywords:
laser-shootingmicrocomputerdigitalcamerastepmotor
1.方案论证与比较
1.1摄像头模块选择
本系统中摄像头作为唯一的传感信息采集单元，经摄像头采集靶面的图像，通过单片机对靶面图像进行处理运算，自动识别目标位置，并进行相关的自动操作，从而实现题目中所要求的功能。
本系统采用的数字处理系统，因此需要获得数字图像。
方案一：
模拟摄像头输出的为模拟视频信号，若需对所获得的图像信号进行数字信号处理，则需经过图像采集卡将模拟视频信号转换为数字视频信号，并加以压缩后才可以传输给计算机进行处理运用。
若使用模拟摄像头，系统的结构则比较复杂，且模拟视频信号转换为数字信号，AD芯片需要非常高的转换速度，处理器也需要非常高的性能。
方案二：
数字摄像头
数字摄像头可以直接获得数字视频信号，然后通过串、并口将数字图像的数据传输给计算机等处理器进行处理运用。
使用数字摄像头，系统的硬件结构简单且采集数字图像比较简捷。
综合考虑选择方案二，采用数字摄像头OV7620,高性能的单一小体积封装，分辨率可以达到320*240，传输速率可以达到30帧，能够满足一般图像采集系统的要求。
1.2控制芯片的选择
本系统需要控制芯片需要完成图像采集及处理、按键控制、激光靶点信息显示、激光点位置移动等控制功能，以此控制芯片需要较快的运行速度和丰富的I/O口。
方案一：
采用可编程器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度小、体积小、稳定性高、IO资源丰富，易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的核心，但是功耗大价格也相对昂贵。
方案二：
以飞思卡尔单片机MC9S12XS128作为主控制芯片。
飞思卡尔MC9S12XS128单片机，一款１６位单片机，具有Ｉ／０接口更丰富、处理速度更快等特点，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评，它是新一代单片机的代表，其强大的功能、较低的功耗等均符合本次设计的要求。
综合考虑选择方案二，控制芯片采用飞思卡尔单片机MC9S12XS128。
1.3显示模块选择
本系统设计要求显示激光在靶面上弹着点的环数、位置信息的显示。
方案一：
采用LED数码管和点阵显示。
数码管能够清晰显示题目中要求的环数信息，点阵若要清晰显示胸环靶的相应图形及激光弹着点的位置，则要拼接更多的集成模块点阵模块，所需扩展更多的端口将更多，电路结构将更加复杂。
方案二：
采用集成的OLCD模块，OLED是一款无需背光源自发光显示模块，显示颜色有蓝色、黄蓝两种。
VGS12864E是128×64行点阵的OLED单色、字符、图形显示模块，模块内藏64×64的显示数据RAM，其中的每位数据都对应于OLED屏上一个点的亮、暗状态;其接口电路和操作指令简单，具有8位并行数据接口可直接与8位微处理器相连。
显示效果好，且安装方便。
综合考虑选择方案二，选用VGS12864E是128×64行点阵的OLED单色、字符、图形显示模块。
1.4二维调节台的设计选择
系统设计要求通过按键实现激光枪的弹着点在靶纸上上下、左右移动，自动控制激光枪，在15秒内将激光束光斑从胸环靶上的指定位置迅速瞄准并击中靶心（即10环区域），可根据任意设定的环数，控制激光枪瞄准击中胸环靶上相应位置，因此需要设计一能够自动控制的机动二维调节平台
方案一：
采用步进电机驱动的旋转式二维移动调节台，如图1所示，。
在本题目中，靶面的面积并不是很大，且激光器距靶面位置较远，激光头微小的移动和振动对靶面上激光弹着点的影响很大。
且本方案对步进电机的控制精度要求非常高。
图1.转角式激光头调节台
方案二：
采用如图2所示的.平行靶激光头二维平移调节台，水平方向通过小车的前进与后退进行控制、竖直方向的移动通过同步带进行控制。
图2.平行靶激光头调节架
由于受控制控制精度的影响，本系统采用方案二。
1．5驱动电机的选择
方案一：
直流电机
直流电机具有很高的速度、调速平滑方便、调整范围广等优点，但是当低速运行时，输出力矩很小。
另外小范围的移动和反馈变得十分重要，这很难用直流电机完成，而且直流电机在小角度转动的时候接近短路，大电流给驱动电路带来了很大负担。
方案二：
直流减速电机
减速电机是一种带有减速齿轮的直流电机。
因此它具有直流的优点，另外它在低速运行时也能够实现较大的力矩输出。
方案三：
步进电机
步进电机的特点是具有快速启动和停止能力，输出力矩大、控制精度高，且能够实现正反转控制；但它的缺点是转速低。
本系统根据机械结构设计的特点，水平方向移动采用小车前进和后退，采用方案；竖直方向通过同步带进行移动，采用方案三。
1.6电机驱动电路
方案一：
直接采用驱动模块。
小功率直流电机常用的模块有LB298，LB298是一种用普通晶体管构成的集成全桥驱动模块，输入端只要加简单的控制信号，就能实现电机的调速和正反向控制，但是这种模块的缺点就是功耗较大，尤其当电机启动时由于工作电流较大，将在模块上产生很大的损耗。
由于小车在寻找平衡点时需要低速运行，并有可能反复启动，因此在驱动模块上会产生大量的热量，这将严重影响小车系统的可靠性。
方案二：
采用CMOS管构成的H桥。
MOS管具有较强的抗电流冲击能力，并且MOS管的容量大小选择也较为灵活，这样可使驱动电路的功耗降到最低，从而增加系统的可靠性。
综合考虑选择方案二。
1.7系统总体框图设计
综合以上方案论证分析选择，系统的总体设计框图如图3所示，主要分为控制单元、输入模块和输出模块。
单片机作为系统的核心控制单元，整个系统由镍铬蓄电池进行进行供电，数字摄像头作为唯一的传感器件采集信息，通过键盘按键选择系统的工作模式，弹着点环数和方位信息由显示器显示，通过单片机和电机驱动电路来控制激光头的点亮、平移和自动瞄准功能。
图3.系统总体框图
2.理论分析与计算
2.1激光靶面弹着点的定位分析
2.1.1图像处理提取弹着点坐标算法
本系统通过数字摄像头获得的靶面的灰度图像。
为了将靶面调整到摄像头视野范围内的合适位置，即靶心位于摄像头图像坐标的中心位置，由三点确定唯一平面，如图4所示，在摄像头上加装三个激光头，调整摄像头所采集的靶面位置合适，在调整激光头角度，使其投射到靶面上分散的三点，并用浅颜色笔标记三点。
再次组装该系统时，直接将三个激光点与对应的标记对齐，则靶面就调整到了摄像头视野范围内的合适位置。
图4.摄像头图像校准示意图
通过数字摄像头得到靶面的灰度图像，激光弹着点在靶面上时，由于激光点的亮度明显高于周围的环境，则图像上激光弹着点的灰度值将明显高于其区域。
因此设置灰度阈值为G0，利用公式
（1）对灰度图像进行二值化处理，得到二值图像。
（1）
其中，
为灰度图像像素点的灰度值，
为二值图像对应像素的二值化值。
由二值过程可知，在二值图像中激光亮点的像素值为1，其他背影像素值为0。
因此寻找激光亮点的坐标，即对二值图像的像素点进行扫描查找，像素值
为1点，即为目标激光点P（i，j）。
设（
）为标定的靶心图像坐标，以靶面的水平方向为X轴,竖直方向为Y轴建立平面直角坐标系如图5所示，则寻找的目标激光点P，其坐标为（
）。
图5.图像定位坐标系
2.1.2弹着点所在环数计算分析
由图4摄像头的安装位置可知，摄像头采集的图像存在畸变，即摄像头拍摄的靶面图像图示标准的圆形，而是近似的椭圆，。
因此对采集到的图像建立椭圆模型进行分析，由于在Y方向上存在的畸变较大，如图6所示,且并不是关于X轴对称的椭圆，因此建立椭圆模型分析时，将同一靶环的X轴上下两部分分析。
图6.畸变的靶面图像
试验时对靶面的每个靶环分上下两个部分的长轴An和短轴Bn分别进行测量标定（n取10,9,8,7,6,5）,记录存储。
测量时，设激光弹着点的坐标为P（x,y）,根据椭圆内外点计算公式：
（2）
（3）
若P（x,y）同时满足公式
（2）和（3），则P点位于n环；若P（x,y）不满足上述任何一个公式，则激光点脱靶。
2.1.3弹着点所在方位计算分析
在计算弹着点所在的方位时，由建立的坐标系可知，激光点的坐标P（x,y）满足如下关系：
（4）
时，根据激光点的坐标信息即可知道激光点对应的方位信息。
2.2激光弹着点的自动控制控制分析
2.2.1弹着点位置的移动
由图2的系统的装置模型可知，根据匀速直线运动公式：
，激光点从任一点到达指定点它的位移等于X方向与Y方向的和位移，由此可知
（5）
通过运动路径分析（如图7），只要分别满足了X方向和Y方向的位移，则它的运动轨迹即和位移也就确定了，就可达到任一点移动要求。
图7.激光点运动路径分析
2.2.2弹着点自动瞄准靶心及移向设定靶环
激光弹着点自动瞄准靶心及移向设定靶环采用位置式PID算法进行控制。
在自动瞄准靶心的控制过程中，激光点相对靶心在X和Y方向的偏移量即为，每次图像采集处理后所获得的靶心坐标值，即:
（6）
在激光点向设定靶环移动时，设设定靶环的半径为R，则激光点相对设定靶环的偏差为:
（7）
根据公式（6）（7）计算的偏差，运用位置式PID算法进行激光点定位。
3.硬件设计与实现
由方案设计总体框图可知，本系统主要由单片机最小系统、电源、数字摄像头、激光头驱动电路、键盘、显示电路、电机驱动电路等硬件电路组成，系统的安装结构示意图如图4所示。
图8.系统总体结构图
3.1单片机及外围接口电路设计
本系统选用飞思卡尔单片机MC9S12XS128作为主控制芯片，由系统的总体结构框图3可知，单片机工作系统的外围接口电路如图9所示，配置有数字摄像头OV7620的接口（CAMAR），6个按键接口（AD0-AD5），OLED显示模块接口（PE4-PE7）,激光头控制接口（PK0）,直流减速电机控制端口（PWM1，PWM5），步进电机控制端口（PH4-PH7）。
图9.单片机及外围接口电路
3.2激光头驱动电路设计
半导体激光头的安全工作电流为40mA左右，三极管的饱和压降为0.3V，激光头的正压向降为1.3V左右，因此最小限流电阻R=（5-1.3-0.3）/0.04=85（Ω），选用100Ω。
激光发射电路如图10所示。
图10.激光头驱动电路
3.3电机驱动电路设计
直流电机驱动电路采用H桥结构，如图11所示。
图11.直流电机H桥驱动电路
由于本系统最大供电电压为7.2V，而直流电机的内阻为10Ω，故电机稳态工作电流为：
由于电机瞬时启动电流为稳态电流的10倍左右，即电机启动电流可达7.2A，而MOS管工作电流应选择电机最大工作电流的2-3倍，即达到14.4-21.6A；由于直流电机的供电电压为7.2V，因此MOS管的工作电压应选3倍以上，即达到21.6V。
选用IR2104作为H桥驱动芯片，它有两路输入/输出，每路驱动输出电流可达2A,并且输入为TTL逻辑电平，非常适合MCU控制。
H桥的二路PWM控制信号由单片机内部16位PWM发生器产生，增大脉宽则电机转速也随之提高。
步进电机驱动电路如12所示,主要采用UN2003驱动芯片。
图12.步进电机驱动电路
3.3电源电路设计
本系统采用7.2V镍镉蓄电池作为供电电源，单片机、摄像头、激光头、OLED显示模块均需要5V的工作电压，为了保证系统工作的良好稳定性，采用三段线性稳压器LM2940进行稳压供电，如图13所示。
LM2940为低压差稳压器件，输入电压范围宽泛，输出电流能达到1.25A，稳压性好，为系统工作稳定提供保障。
另外需要为H桥驱动芯片IR2104提供一12V的工作电压，利用单片开关电源芯片（MC34063）设计了DC12V的升压电路，如图14所示。
图13.5V稳压电路
图14.DC12V升压电路
4.软件设计与实现
系统的主程序流程如图15所示，程序主要包含了图像的采集与处理算法，在得到图像信息后，主控器进入不同的模式执行不同的功能.
各
各种工作模式的图像采集及处理流程图式如图16所示。
自动控制激光打靶流程图如图17所示，其中主要运用PID算法来提高控制精度，PID控制程序流程图如图18所示。
图18.PID控制流程图
图17.自动控制激光打靶流程图
5.测试方案及分析
5.1测试方案设计
5.1.1测试仪器
器件
量程
精度
直尺
30cm
1mm
卷尺
3m
1mm
秒表
60s
0.1s
5.1.2测试方法：
按要求调节激光头打至所需环数，记录OLED显示器上显示的位置信息和实际的位置信息。
测量激光中心点打靶时，记录实际的环数信息和显示器上的环数信息以及偏差距离，同时用秒表测量每次中心打靶所需要的时间。
5.2弹着点环数与方位信息显示测试及结果
当激光点打到胸环靶上某一具体位置时，显示器上进行环数和方位信息的显示。
测试结果如表1。
表1环数与方位信息显示测试数据
序号
实际环数
测量环数
实际方位
测量方位
环数误差
是否有方位误差
1
8
8
左下
左下
0
否
2
9
9
正上
正上
0
否
3
10
10
中心
中心
0
否
4
7
7
右下
右下
0
否
5
6
6
正下
正下
0
否
6
5
5
右上
右上
0
否
5.3自动中心打靶测试及结果（发挥部分）
激光点从任意指定位置打到中心点。
测试结果如表3。
表3自动中心打靶测试数据
序号
设定环数
是否到达中心
误差环数
偏差距离
耗时
1
5
是
0
3.5cm
12.3s
2
6
是
0
2.4cm
9.8s
3
7
是
0
3.0cm
7.2s
4
8
是
0
2.5cm
6.4s
5
9
是
0
1.4cm
5.2
6
10
是
0
2.6cm
2.4s
5.4任一点打靶测试及结果（发挥部分）
通过键盘设定5~10的任意环数，激光点自动打到设定环数。
测试结果如表4。
表4任一点打靶测试数据
序号
设定环数
实际环数
误差环数
1
5
5
0
2
6
6
0
3
7
7
0
4
8
8
0
5
9
9
0
6
10
10
0
5.5测试结果总计
通过以上测试可知，本次设计能够按照题目要求，采用模块化的硬件和软件设计方法，以及较合适的控制算法，成功地实现了激光弹着点环数和方位的查找，能够通过二维平移架控制靶面激光点的水平和竖直方向的平移，同时也能够实现发挥部分自动中心打靶和自动定位打靶的功能。
6.结束语
经过为期四天的设计，感触颇深的是解决问题的方法、技巧。
在这四天中，我们遇到许许多多问题，对待问题要多方法处理，多角度处理。
通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。
当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。
参考文献
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