自循跡移動(dòng)靶車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)外大多數(shù)移動(dòng)靶車(chē)都是以鐵軌為軌道，靶車(chē)只能按照預(yù)設(shè)軌道直線移動(dòng)。若根據(jù)實(shí)際需要變更移動(dòng)路線就得重新鋪設(shè)軌道，不但花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、代價(jià)高，給射擊也帶來(lái)跳彈隱患。隨著國(guó)際形勢(shì)的不斷變化和反恐訓(xùn)練的要求，打靶訓(xùn)練中要求靶車(chē)不但能夠根據(jù)訓(xùn)練項(xiàng)目隨時(shí)調(diào)整靶機(jī)距離，而且可以快速變更移動(dòng)路線，實(shí)現(xiàn)直線、曲線等多向運(yùn)動(dòng)模式，以滿足現(xiàn)代化、多科目的訓(xùn)練要求。
    本文研究一種能夠?qū)β窂竭M(jìn)行自主識(shí)別的自循跡移動(dòng)靶車(chē)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用普通的膠條或油漆制成的色帶作為引導(dǎo)線，通過(guò)攝像頭傳感器動(dòng)態(tài)提取引導(dǎo)線的位置來(lái)判別靶車(chē)的運(yùn)行姿態(tài)，進(jìn)而控制靶車(chē)的移動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑自主識(shí)別的功能。

1 系統(tǒng)工作原理
    在實(shí)際應(yīng)用中，靶車(chē)帶有較厚的防護(hù)鋼板和防跳彈橡膠，移動(dòng)和停位時(shí)慣性較大難以控制，況且射擊訓(xùn)練中對(duì)靶車(chē)的移動(dòng)速度和彎道曲率要求不高，所以自循跡移動(dòng)靶車(chē)采用三輪結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式。前面兩輪作為獨(dú)立的主驅(qū)動(dòng)輪，后輪為萬(wàn)向輪。前面兩輪除負(fù)責(zé)前進(jìn)、后退外，當(dāng)轉(zhuǎn)速不同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)靶車(chē)的曲線行走和原地旋轉(zhuǎn)。

    整個(gè)控制系統(tǒng)可分為檢測(cè)系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)3部分。檢測(cè)系統(tǒng)相當(dāng)于靶車(chē)的“眼睛”，采集靶車(chē)移動(dòng)的路徑信息；控制決策系統(tǒng)相當(dāng)于靶車(chē)的“大腦”，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、有序的工作；動(dòng)力系統(tǒng)用于完成靶車(chē)的各種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。系統(tǒng)的工作信息流程如圖1所示，檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集靶車(chē)移動(dòng)的路徑信息，經(jīng)控制決策系統(tǒng)分析、處理后控制動(dòng)力系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶車(chē)位置的精確定位和動(dòng)作控制。

2 系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)
2．1 硬件電路
    系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由圖像采集模塊、主機(jī)控制電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成，如圖2所示。

2．1．1 主機(jī)控制電路
    基于ATMegal28內(nèi)部集成有64 kh Flash存儲(chǔ)器和豐富的硬件接口電路，不僅可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器，而且定時(shí)器的相頻修正PWM模式是基于雙斜坡操作可以產(chǎn)生高精度的、相位與頻率都準(zhǔn)確的PWM波形，適合電機(jī)的調(diào)速控制，所以采用ATMegal28的最小系統(tǒng)作為系統(tǒng)的主機(jī)控制電路。
2．1．2 圖像采集模塊
    系統(tǒng)采用OV7620攝像頭模塊進(jìn)行路徑信息的采集。OV7620圖像傳感器不但可以直接輸出行場(chǎng)同步中斷信號(hào)，而且具有自動(dòng)增益和自動(dòng)白平衡控制，能進(jìn)行亮度、對(duì)比度、飽和度等多種調(diào)節(jié)功能，不但省去了復(fù)雜的視頻解碼過(guò)程。而且使靶車(chē)能夠適應(yīng)于不同的應(yīng)用環(huán)境。實(shí)際上，控制靶車(chē)并不需要分辨率很高的圖像，相反分辨率低一些的圖像不僅有利于減少存儲(chǔ)所用的空間，而且加快單片機(jī)的圖像處理的速度。結(jié)合攝像頭的視野大小，系統(tǒng)將圖像采集分辨率由原始的492x664降低到25x47，保證系統(tǒng)能夠快速、有效的采集路勁信息。
2．1．3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
    雙極性可逆PWM系統(tǒng)雖然在低速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)，但電流波動(dòng)大，功率損耗較大，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開(kāi)關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高，所以系統(tǒng)采用單極性可逆PWM方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，避免了開(kāi)關(guān)管直通、提高系統(tǒng)的可靠性，盡管輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷流，可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率的方法或改進(jìn)電路設(shè)計(jì)來(lái)克服，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、速度快、可靠性高且成本低等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)控制器電路如圖3所示。

2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    當(dāng)系統(tǒng)收到校驗(yàn)正確的移動(dòng)命令后靶車(chē)進(jìn)入循跡模式，在移動(dòng)中根據(jù)經(jīng)過(guò)的輔助停位橫條判斷是否到達(dá)目標(biāo)位置，最終停位在目標(biāo)點(diǎn)上。在移動(dòng)過(guò)程中，靶車(chē)在任意時(shí)刻都要知道自己處在什么位置并決定下一步該如何動(dòng)作。
    為了能夠?qū)崟r(shí)、可靠的檢測(cè)路徑信息，保證靶車(chē)及時(shí)作出響應(yīng)，整個(gè)循跡控制過(guò)程在中斷中完成。系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

    為了得到穩(wěn)定的控制效果，電機(jī)控制采用數(shù)字增量式PID控制算法。圖像處理后得出的靶車(chē)位置偏差經(jīng)比例、積分、微分運(yùn)算后，根據(jù)結(jié)果調(diào)節(jié)左、右電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使靶車(chē)對(duì)當(dāng)前路徑作出快速、準(zhǔn)確的反應(yīng)。增量式PID控制算法如式(1)，其中，Kp、Ki、Kd分別為控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。
     
    靶車(chē)的偏移誤差增量△U只與本次移動(dòng)偏差ek、上次移動(dòng)偏差ek-1、上上次移動(dòng)偏差ek-2有關(guān)。在一般情況下，會(huì)在一個(gè)相對(duì)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)最后達(dá)到平滑控制。考慮到控制量有可能溢出或小于零，因此對(duì)輸出增量設(shè)定了上限值Ui_max和下限值Ui_min。
    由于靶車(chē)沒(méi)有固定的數(shù)學(xué)模型，采用工程整定法確定PID控制器的參數(shù)。方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先將PID參數(shù)設(shè)定在某些數(shù)值上，然后觀察系統(tǒng)響應(yīng)情況，再根據(jù)具體效果調(diào)節(jié)相應(yīng)參數(shù)比例度，直到找到合適的控制參數(shù)。

3 結(jié)論
    本文主要闡述自循跡移動(dòng)靶車(chē)的檢測(cè)系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)三大功能模塊的設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)方法。由于路徑鋪設(shè)方便、費(fèi)用低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并具有靈活的機(jī)動(dòng)特性，所以自循跡移動(dòng)靶車(chē)將是進(jìn)行常規(guī)及特種射擊訓(xùn)練必備的現(xiàn)代射擊設(shè)備，適合公安、武警以及一些特殊訓(xùn)練場(chǎng)所應(yīng)用。