基于STM32單片機(jī)激光壓制追捕系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作

引 言

關(guān)于追捕驅(qū)車在逃犯罪嫌疑人的問題十分棘手，由于在對其追捕過程中對周圍環(huán)境及群眾的傷害和追捕力度難以控制，因此設(shè)計(jì)和制作簡單、有效、殺傷力和破壞力小的新式追捕器械非常必要。激光器目前在軍事和生活方面已被廣泛應(yīng)用，如舞臺(tái)燈，激光致盲武器等，均有效利用了激光準(zhǔn)直性好、光強(qiáng)衰減弱等特性 [1]。

借助激光的上述特性，利用幾何光學(xué)原理，使用單片機(jī)進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)并制作了一套激光壓制追捕系統(tǒng)。依據(jù)激光對人眼的損傷特性，選擇YAG 激光器，激光器發(fā)射出激光后， 經(jīng)過擴(kuò)束使激光束在保持有效殺傷強(qiáng)度的同時(shí)盡可能得到較寬的光束，使其擁有更廣的覆蓋范圍，通過ARM-STM32 微控制器控制激光打靶使之精準(zhǔn)照射到在逃車輛后視鏡上，隨后光束反射到在逃嫌疑人員眼中，并使嫌疑人產(chǎn)生短暫失明或眩暈，導(dǎo)致其喪失駕駛能力，迫使嫌疑人停車，以達(dá)到追捕目的[2]。該系統(tǒng)體積小、車載攜帶方便、成本低，在保證追捕準(zhǔn)確性的同時(shí)，對周圍事物造成的傷害很小，在反恐和治安方面具有較好的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及原理

圖 1 所示為系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理總框圖。該激光壓制追捕系統(tǒng)基于STM32F407 單片機(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，由激光器模塊、擴(kuò)束模塊、控制 / 微處理器模塊、電源模塊等構(gòu)成。

控制系統(tǒng)通過 5 V 直流電源對控制電路供電，使用車載電源對激光器供電。激光器通電后發(fā)射激光，并由擴(kuò)束裝置對激光進(jìn)行擴(kuò)束，通過微控制器調(diào)節(jié)激光強(qiáng)度，微處理器通過步進(jìn)電機(jī)、PWM 調(diào)制等對激光器進(jìn)行打靶定位調(diào)整控制， 從而保證激光打靶覆蓋范圍，提高準(zhǔn)確度。

STM32 單片機(jī)位于系統(tǒng)后端，銜接步進(jìn)電機(jī)對激光器進(jìn)行打靶控制，同時(shí)激光器最前端安置另一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，以進(jìn)行閃爍頻率控制。

設(shè)計(jì)中對各零部件的選取參數(shù)如下：

(1) 微 處 理 器： 采 用 意 法 半 導(dǎo) 體 公 司 生 產(chǎn) 的STM32F407 ；

(2) 步進(jìn)電機(jī) ：采用一諾微特電機(jī)有限公司生產(chǎn)的24BYJ48 永磁式步進(jìn)電機(jī)；

(3) 激光器：采用寬束激光器。其輸出波長為（53210）nm，輸出功率為 200 mW，工作電壓為直流 30 V，工作電流在300 ～450 mA 之間；

(4) 擴(kuò)束器 ：采用 6倍伽利略式擴(kuò)束裝置。

2 激光器及其對人眼損傷特性

2.1 激光器應(yīng)用- 激光武器

激光武器作為當(dāng)今一種新型武器，大多數(shù)國家對其都投入了很大精力去開發(fā)和研究，且已取得重大進(jìn)展。低功率激光武器裝備已在部隊(duì)投入使用，高功率激光武器在理論層面已相對成熟，但尚未大規(guī)模投入使用，正待進(jìn)一步開發(fā)研究。激光武器將在未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中扮演重要角色。目前具有強(qiáng)殺傷性的高功率強(qiáng)激光武器，利用激光束的高相干性和低衰減性可以直接摧毀打靶目標(biāo)的電子元器件乃至機(jī)械部分，如導(dǎo)彈、衛(wèi)星等[3]。

激光致盲武器是用相當(dāng)能量的激光，對人眼或軍用光電設(shè)備實(shí)施軟殺傷，使其喪失作戰(zhàn)能力。激光致盲武器以激光器為中心，配以偵察告警定位裝置、精密瞄準(zhǔn)跟蹤裝置，屬于戰(zhàn)術(shù)激光武器范疇[4,5]，而用于反恐和治安方面的激光武器尚未見過報(bào)道。

2.2 激光對人眼的損傷分析

人眼的成像系統(tǒng)類比于透鏡的成像系統(tǒng)。人眼是由角膜、房水、晶狀體、玻璃體等共同構(gòu)成的屈光系統(tǒng)，可以將光線匯聚后在視網(wǎng)膜成像。激光通過瞳孔，經(jīng)屈光介質(zhì)的聚焦作用后，在視網(wǎng)膜上聚焦成一個(gè)直徑為 5 ～50 pm 的實(shí)像，其在視網(wǎng)膜上的輻照功率密度或者能量密度相比角膜處將增加 1 000 倍以上 [6]。眼睛受激光照射后形成的最小可見損傷稱為閾損傷，引起閾損傷的激光劑量值為損傷閾值 [7]。不同功率、頻率、激發(fā)材料的激光器發(fā)射出的激光對人眼造成的傷害不同，具體參見表 1。因此利用激光波長和功率特性，選取能對人眼產(chǎn)生明顯效果，但又不會(huì)對人眼造成徹底大規(guī)模殺傷的激光器， 便可達(dá)到追捕目的。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于之前的學(xué)者對此方面的研究較少，且對于人眼損傷的實(shí)際驗(yàn)證存在一定難度。因此我們只對激光的覆蓋范圍與打靶精確度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)際的損傷分析只對激光強(qiáng)度進(jìn)行測量，應(yīng)用文章中的激光器和擴(kuò)束鏡參數(shù)，選取的檢測距離為 100m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光覆蓋范圍可形成直徑約8cm的光斑，激光強(qiáng)度衰減為激光器出射強(qiáng)度的 1/3左右， 數(shù)據(jù)符合預(yù)期要求。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 微控制模塊

3.1.1 微控制器選擇

STM32系列芯片是一款高性能、低功耗、高性價(jià)比的微控制芯片，在應(yīng)用開發(fā)模擬方面應(yīng)用廣泛。ARM-Cortex-M3 內(nèi)核是STM32F103增強(qiáng)型 系列，時(shí)鐘頻率達(dá)到 72MHz， 與其他微控制芯片相比頻率較高，具有很大優(yōu)勢；較為低端的基本型時(shí)鐘頻率為 36MHz，價(jià)格低廉，基本與 16位芯片價(jià)格持平。因此，目前 STM32芯片也是16位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。STM32F4系列單片機(jī)內(nèi)置 32～128K的閃存，不同于F1 系列的是SRAM最大容量和外設(shè)接口的組合。當(dāng)時(shí)鐘頻率達(dá)72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗為 36mA，是 32位市場上功耗最低的產(chǎn)品，約為 0.5mA/MHz[8,9]。而同系列產(chǎn)品STM32F407是 Cortex-M4最高的 168M主頻帶 DSP，外圍設(shè)備的擴(kuò)充量明顯增強(qiáng)，GPIO 的功能選擇和精度都有很大提高。因此，為提高設(shè)備精度，選用STM32F407 作為主芯片。

3.1.2 PWM調(diào)制

利用STM32 的IO 口直接輸出方波，通過其內(nèi)部時(shí)鐘控制占空比，即控制 T1，T2輸出的時(shí)間，從而控制打靶定位模塊。輸出的方波如圖 2 所示，T1代表高電平持續(xù)時(shí)間，T2代表低電平持續(xù)時(shí)間。在實(shí)際使用過程中，高電平時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，低電平時(shí)步進(jìn)電機(jī)停止，調(diào)整 T1，T2的持續(xù)時(shí)間比例，便可以控制其單位時(shí)間轉(zhuǎn)數(shù)。

3.1.3 打靶控制模塊

打靶控制模塊由STM32單片機(jī)控制，采取 PWM調(diào)制控制步進(jìn)電機(jī)，進(jìn)而控制激光器打靶范圍以及光束閃爍頻率。圖3所示為該系統(tǒng)的俯視圖，光路為該系統(tǒng)可覆蓋的打靶范圍， 激光器可水平轉(zhuǎn)動(dòng)，以準(zhǔn)確定位嫌疑人眼睛的位置，進(jìn)行激光打靶。

圖 3 激光器打靶控制圖

3.1.4 激光閃爍及頻率控制模塊

激光閃爍頻率控制采取擋板式，如圖 4 所示。將A，B 部分挖空，將擋板置于步進(jìn)電機(jī)上，通過控制擋板實(shí)現(xiàn)激光閃爍，其閃爍頻率通過步進(jìn)電機(jī)每秒的轉(zhuǎn)數(shù) n 控制，即激光的閃爍頻率 f=2n。

圖 4 圓形擋板

3.2 激光擴(kuò)束模塊

激光擴(kuò)束模塊通過固定的擴(kuò)束裝置將激光光束直徑呈倍數(shù)擴(kuò)大，其擴(kuò)大倍數(shù)由內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定，可將光束直徑 50 mm的激光擴(kuò)束 4 倍，成為直徑 200 mm 的激光光束。其目的是增大激光覆蓋范圍，從而更好地利用激光。目前的擴(kuò)束鏡原理為折射式或反射式。折射式擴(kuò)束鏡通過光線投射原理和聚焦、發(fā)散等基本知識(shí)，使射入的平行光發(fā)散，而經(jīng)擴(kuò)束后射出的光線也為平行光。其應(yīng)用的透鏡與擴(kuò)束倍數(shù)一般是固定的， 因此，在應(yīng)用該類擴(kuò)束鏡時(shí)，通常要先計(jì)算好擴(kuò)束比例。當(dāng)變化比較大時(shí)，反射式擴(kuò)束鏡各組中的鏡片數(shù)量多，工作時(shí)易形成激光相干噪聲或衍射散斑條紋，從而影響擴(kuò)束的均勻性[10]。同時(shí)又因?yàn)榧す饩哂泻芎玫南喔尚?，所以在設(shè)計(jì)擴(kuò)束鏡時(shí)盡量選取較少的透鏡和最短的光路，以保證光線之間不會(huì)因發(fā)生干涉導(dǎo)致能量衰減或損耗，因此本設(shè)計(jì)采用的透鏡數(shù)量較少[11]。

激光擴(kuò)束原理大致分為兩種，即開普勒式和伽利略式， 如圖 5，圖 6 所示。開普勒式擴(kuò)束鏡為兩凸透鏡，光束先經(jīng)第一凸透鏡將光束匯聚至第二凸透鏡焦距處，后經(jīng)第二凸透鏡將其發(fā)散為平行光，其擴(kuò)束倍數(shù)為 a=f2/f1 ；伽利略式擴(kuò)束鏡為一凹透鏡一凸透鏡，光束先經(jīng)第一凹透鏡將光束匯聚至其虛焦距處，該虛焦距位置與第二凸透鏡焦距位置重合，后經(jīng)第二凸透鏡將其匯聚為平行光，其擴(kuò)束倍數(shù)為 a=f2/f1。

圖 5開普勒式擴(kuò)束鏡原理

圖 6伽利略式擴(kuò)束鏡原理

由于伽利略式擴(kuò)束可以使本系統(tǒng)的尺寸更加精簡，所以本設(shè)計(jì)選取伽利略式擴(kuò)束系統(tǒng)。

3.3 結(jié)構(gòu)/成品圖

本系統(tǒng)共分為 5 個(gè)模塊，其結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

產(chǎn)品實(shí)物如圖 8 所示。將系統(tǒng)置于一長為 20 cm，直徑 約 3.5 cm 的圓形筒內(nèi)，便于攜帶。裝置手持端有四個(gè)按鈕， 分別是開關(guān)、閃爍頻率 +、閃爍頻率－、打靶方位調(diào)整，可由 手持者通過大拇指控制，簡單易操作。

圖 8 成品圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)并制作了一款新型追捕驅(qū)車逃犯的激光壓制系統(tǒng)。采用目前應(yīng)用廣泛的激光器，使用廣泛應(yīng)用于智能系統(tǒng)的STM32 芯片進(jìn)行控制，在追捕上不僅能達(dá)到對犯罪嫌疑人的軟控制，還能保障追捕過程中其余無辜群眾的安全，具有體積小、便于攜帶、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，擁有良好的社會(huì)效益。