基于STM32单片机激光压制追捕系统设计和制作

2018-01-10王金龙田杨萌王宏伟王彩霞

物联网技术 2017年12期

王金龙+田杨萌+王宏伟+王彩霞

摘要：为实现对驱车犯罪嫌疑人的快速追捕，文中采用模块式设计思想，设计并制作了一套激光压制追捕系统，该系统包括激光器模块、扩束模块、控制/微处理器模块、电源模块等。激光扩束后，微处理器通过步进电机、脉冲宽度调制（PWM调制）等对激光进行打靶定位调整和控制，从而保证激光打靶覆盖范围，激光打靶到车辆后视镜并反射至犯罪嫌疑人眼中，使其产生眩晕感或短暂失明，以实现追捕目的。

关键词：激光压制；STM32单片机；扩束；追捕系统

中图分类号：TP39；TJ01；TH745 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-03

0 引言

关于追捕驱车在逃犯罪嫌疑人的问题十分棘手，由于在对其追捕过程中对周围环境及群众的伤害和追捕力度难以控制，因此设计和制作简单、有效、杀伤力和破坏力小的新式追捕器械非常必要。激光器目前在军事和生活方面已被广泛应用，如舞台灯，激光致盲武器等，均有效利用了激光准直性好、光强衰减弱等特性[1]。

借助激光的上述特性，利用几何光学原理，使用单片机进行控制，设计并制作了一套激光压制追捕系统。依据激光对人眼的损伤特性，选择YAG激光器，激光器发射出激光后，经过扩束使激光束在保持有效杀伤强度的同时尽可能得到较宽的光束，使其拥有更广的覆盖范围，通过ARM-STM32微控制器控制激光打靶使之精准照射到在逃车辆后视镜上，随后光束反射到在逃嫌疑人员眼中，并使嫌疑人产生短暂失明或眩晕，导致其丧失驾驶能力，迫使嫌疑人停车，以达到追捕目的[2]。该系统体积小、车载携带方便、成本低，在保证追捕准确性的同时，对周围事物造成的伤害很小，在反恐和治安方面具有较好的现实意义和实际应用价值。

1 系统总体结构及原理

图1所示为系统设计结构和原理总框图。该激光压制追捕系统基于STM32F407单片机，采用模块化设计思想，由激光器模块、扩束模块、控制/微处理器模块、电源模块等构成。

控制系统通过5 V直流电源对控制电路供电，使用车载电源对激光器供电。激光器通电后发射激光，并由扩束装置对激光进行扩束，通过微控制器调节激光强度，微处理器通过步进电机、PWM调制等对激光器进行打靶定位调整控制，从而保证激光打靶覆盖范围，提高准确度。

STM32单片机位于系统后端，衔接步进电机对激光器进行打靶控制，同时激光器最前端安置另一个步进电机，以进行闪烁频率控制。

设计中对各零部件的选取参数如下：

（1）微处理器：采用意法半导体公司生产的STM32F407；

（2）步进电机：采用一诺微特电机有限公司生产的24BYJ48永磁式步进电机；

（3）激光器：采用宽束激光器。其输出波长为（532±10 ）nm，输出功率为200mW，工作电压为直流30 V，工作电流在300～450mA之间；

（4）扩束器：采用6倍伽利略式扩束装置。

2 激光器及其对人眼损伤特性

2.1 激光器应用-激光武器

激光武器作为当今一种新型武器，大多数国家对其都投入了很大精力去开发和研究，且已取得重大进展。低功率激光武器装备已在部队投入使用，高功率激光武器在理论层面已相对成熟，但尚未大规模投入使用，正待进一步开发研究。激光武器将在未来的现代化战争中扮演重要角色。目前具有强杀伤性的高功率强激光武器，利用激光束的高相干性和低衰减性可以直接摧毁打靶目标的电子元器件乃至机械部分，如导弹、卫星等[3]。

激光致盲武器是用相当能量的激光，对人眼或军用光电设备实施软杀伤，使其丧失作战能力。激光致盲武器以激光器为中心，配以侦察告警定位装置、精密瞄准跟踪装置，属于战术激光武器范畴[4，5]，而用于反恐和治安方面的激光武器尚未见过报道。

2.2 激光对人眼的损伤分析

人眼的成像系统类比于透镜的成像系统。人眼是由角膜、房水、晶状体、玻璃体等共同构成的屈光系统，可以将光线汇聚后在视网膜成像。激光通过瞳孔，经屈光介质的聚焦作用后，在视网膜上聚焦成一个直径为5～50 pm的实像，其在视网膜上的辐照功率密度或者能量密度相比角膜处将增加1 000倍以上[6]。眼睛受激光照射后形成的最小可见损伤称为阈损伤，引起阈损伤的激光剂量值为损伤阈值[7]。不同功率、频率、激发材料的激光器发射出的激光对人眼造成的伤害不同，具体参见表1。因此利用激光波长和功率特性，选取能对人眼产生明显效果，但又不会对人眼造成彻底大规模杀伤的激光器，便可达到追捕目的。

2.3 实验结果

由于之前的学者对此方面的研究较少，且对于人眼损伤的实际验证存在一定难度。因此我们只对激光的覆盖范围与打靶精确度进行了实验验证。实际的损伤分析只对激光强度进行测量，应用文章中的激光器和扩束镜参数，选取的检测距离为100 m。实验结果表明，激光覆盖范围可形成直径约8cm的光斑，激光强度衰减为激光器出射强度的1/3左右，数据符合预期要求。

3 硬件设计

3.1 微控制模块

3.1.1 微控制器选择

STM32系列芯片是一款高性能、低功耗、高性价比的微控制芯片，在应用开发模拟方面应用广泛。ARM-Cortex-M3内核是STM32F103“增强型”系列，时钟频率达到72 MHz，与其他微控制芯片相比频率较高，具有很大优势；较为低端的基本型时钟频率为36 MHz，价格低廉，基本与16位芯片价格持平。因此，目前STM32芯片也是16位产品用户的最佳选择。STM32F4系列单片机内置32～128 K的闪存，不同于F1系列的是SRAM最大容量和外設接口的组合。当时钟频率达72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗为36 mA，是32位市场上功耗最低的产品，约为0.5 mA/MHz[8，9]。而同系列产品STM32F407是Cortex-M4最高的168 M主频带DSP，外围设备的扩充量明显增强，GPIO的功能选择和精度都有很大提高。因此，为提高设备精度，选用STM32F407作为主芯片。endprint

3.1.2 PWM调制

利用STM32的IO口直接输出方波，通过其内部时钟控制占空比，即控制T1，T2输出的时间，从而控制打靶定位模块。输出的方波如图2所示， T1代表高电平持续时间，T2代表低电平持续时间。在实际使用过程中，高电平时步进电机转动，低电平时步进电机停止，调整T1，T2的持续时间比例，便可以控制其单位时间转数。

3.1.3 打靶控制模块

打靶控制模块由STM32单片机控制，采取PWM调制控制步进电机，进而控制激光器打靶范围以及光束闪烁频率。图3所示为该系统的俯视图，光路为该系统可覆盖的打靶范围，激光器可水平转动，以准确定位嫌疑人眼睛的位置，进行激光打靶。

3.1.4 激光闪烁及频率控制模块

激光闪烁频率控制采取挡板式，如图4所示。将A，B部分挖空，将挡板置于步进电机上，通过控制挡板实现激光闪烁，其闪烁频率通过步进电机每秒的转数n控制，即激光的闪烁频率f=2n。

3.2 激光扩束模块

激光扩束模块通过固定的扩束装置将激光光束直径呈倍数扩大，其扩大倍数由内部结构确定，可将光束直径50 mm的激光扩束4倍，成为直径200 mm的激光光束。其目的是增大激光覆盖范围，从而更好地利用激光。目前的扩束镜原理为折射式或反射式。折射式扩束镜通过光线投射原理和聚焦、发散等基本知识，使射入的平行光发散，而经扩束后射出的光线也为平行光。其应用的透镜与扩束倍数一般是固定的，因此，在应用该类扩束镜时，通常要先计算好扩束比例。当变化比较大时，反射式扩束镜各组中的镜片数量多，工作时易形成激光相干噪声或衍射散斑条纹，从而影响扩束的均匀性[10]。同时又因为激光具有很好的相干性，所以在设计扩束镜时尽量选取较少的透镜和最短的光路，以保证光线之间不会因发生干涉导致能量衰减或损耗，因此本设计采用的透镜数量较少[11]。

激光扩束原理大致分为两种，即开普勒式和伽利略式，如图5，图6所示。开普勒式扩束镜为两凸透镜，光束先经第一凸透镜将光束汇聚至第二凸透镜焦距处，后经第二凸透镜将其发散为平行光，其扩束倍数为a=f2/f1；伽利略式扩束镜为一凹透镜一凸透镜，光束先经第一凹透镜将光束汇聚至其虚焦距处，该虚焦距位置与第二凸透镜焦距位置重合，后经第二凸透镜将其汇聚为平行光，其扩束倍数为a=f2/f1。

由于伽利略式扩束可以使本系统的尺寸更加精简，所以本设计选取伽利略式扩束系统。

3.3 结构/成品图

本系统共分为5个模块，其结构如图7所示。

产品实物如图8所示。将系统置于一长为20 cm，直径约3.5 cm的圆形筒内，便于携带。装置手持端有四个按钮，分别是开关、闪烁频率+、闪烁频率-、打靶方位调整，可由手持者通过大拇指控制，简单易操作。

4 结语

本文设计并制作了一款新型追捕驱车逃犯的激光压制系统。采用目前应用广泛的激光器，使用广泛应用于智能系统的STM32芯片进行控制，在追捕上不仅能达到对犯罪嫌疑人的软控制，还能保障追捕过程中其余无辜群众的安全，具有体积小、便于携带、操作简便等优点，拥有良好的社会效益。

参考文献

[1]李学千.半导体激光器的最新进展及其应用[J].长春理工大学学报，1997，9（4）：56-63.

[2]苗海.激光对人眼的损伤和安全防护[J].激光与红外，1973（5）：26-35.

[3]余驰，张立群.机载激光武器系统作战应用分析[J].指挥控制与仿真，2011，33（3）：93-96.

[4]赵江，徐世录.激光武器的现状与发展趋势[J].激光与红外，2005，35（2）：67-70.

[5]付伟，侯振宁.激光致盲武器的工作原理与系统构成[J]. 航天电子对抗，2000（4）：41-45.