基于导电橡胶的胸环方位靶自动报靶技术研究

2023-12-09王宇张朋

机械工程师 2023年11期

王宇，张朋

（南京润景丰创信息技术有限公司，南京 210000）

0 引言

在现代战争中，射击训练的重要性越来越受到重视。精度射击作为军事训练中必不可少的一部分，需要对命中目标的弹着点位置进行精确检测，对提高士兵的技能水平、作战能力、心理素质和部队整体战斗力都有着非常重要的意义[1-3]。

目前常用的实弹精度报靶方式主要有声电定位靶、红外热像精度靶、图像视觉报靶和光电靶等[4-6]。童俊杰等[7]采用压电式超声波传感器作为激波的测量传感器，利用弹丸在飞行中产生的激波在经过不同位置处传感器时产生的时间差，通过建立合适的数学模型，结合TDOA定位算法计算出弹着点坐标值。胡双喜等[8]利用远红外摄像头捕获的图像经过二值处理、坐标提取后计算弹着点位置，实现自动报靶；苑玮琦[9]提出一种基于机器视觉技术的实弹报靶系统，系统利用滞后阈值边缘检测使得弹孔信息更加明显，比较前后2帧图像获取弹孔位置坐标，从而实现利用实时视频图像的实弹报靶功能。其中声电定位靶精度高，可以满足全天候使用，但长时间使用存在传感器易老化、灵敏度降低等问题[10]；红外热像精度报靶一般采用红外热像仪，成本高，每次更换场地需要重新校准[11]；图像视觉报靶对光线要求比较高，一般用于室内，且对同一弹孔的弹着点存在漏报现象[12]；光电靶制作成本较高，靶板两侧需要安装防护钢板，靶板比较笨重，更换复杂、不便携[13]。

本文提出一种基于导电橡胶的胸环方位靶，通过多层贴装的布局结构，可实现弹着点的时区和方位报靶。

1 系统组成

整个胸环方位靶系统主要由特制的胸环靶板、报靶采集器和射手报靶显示终端3部分组成，其系统架构如图1所示。

图1 胸环方位靶系统架构图

特制的胸环靶板作为受弹传感器，子弹穿过靶板的瞬间，由报靶采集器检测击中信号，经信号处理电路后计算弹着点的环数和方位时区信息，并通过无线传感器网络将数据发送至射手报靶显示终端，射手报靶显示终端对命中数据进行本地存储、可视化命中显示和语音报靶。

2 胸环靶板设计

胸环靶板作为整个报靶系统的核心部件之一，其结构组成直接影响能否准确检测到命中信息。根据目前公安、部队相关战术和考核训练的需求，胸环靶板需要同时实现射击胸环和射击方位的同时报靶。

2.1 靶板总体布局

本系统特制的胸环靶板采用多层贴装的方式，如图2所示，一共有9层，包括5个绝缘层和4个导电层，层与层之间通过粘合剂粘贴，粘贴时采用工装定位，保证粘贴时前后对齐，胸环图样丝网印刷在第一绝缘层的外表面。其中绝缘层采用高弹性、高恢复性的绝缘橡胶板，导电层采用高导电、高弹性和高恢复性的导电橡胶。

图2 靶板多层结构布局图

该胸环靶板需满足常规枪械射击，如92手枪、95步枪等，该枪械的弹头尺寸长度一般在15～25 mm之间，弹速400～800 m/s，2个导电层之间的绝缘层厚度决定了有效导通时间，时间太短会影响后续电路信号采集，根据常规导电铝箔靶板的设计经验，绝缘层厚度一般不超过5 mm。胸环靶板需要对子弹的击中信号进行独立的环数检测和方位检测，2种检测中间的第三绝缘层厚度不能小于弹头有效长度。同等力学性能的导电橡胶材料的导电层厚度越大，靶板耐弹量越高，考虑靶板的质量、工艺性及经济性，厚度选择3 mm。表1为胸环靶各层的厚度值。

表1 胸环靶各层厚度值

2.2 环数导电层

环数导电层分为环数正导电层和环数负导电层，用于检测弹着点的环数信息。根据胸环图案合理铺设导电橡胶块，如图3和图4所示。

图3 环数正导电层布局

图4 环数负导电层布局

每个环数铺设形状由环数图案和导引线组成，2个临近环数之间采用橡胶绝缘带隔离，其中正导电层所有引线位于靶面左侧，负导电层所有引线对称位于靶面右侧。由于导引线与其他环数之间存在空间重叠，导引线采用高导电、高恢复特性的薄膜材料和绝缘橡胶片双层铺设方式，宽度为2 cm，总厚度为2 mm。当子弹穿过时，通过信号采集电路实时检测2层导引线之间的导通情况来判断当前的命中环数。

2.3 方位导电层

方位导电层分为方位正导电层和方位负导电层，用于检测弹着点的方位信息。方位的正负导电层采用同样的布局设计，如图5所示。将弹点方位信息分为12个时区，在方位导电层上的每个时区铺设导电橡胶块，导电橡胶块通过导引线连接到靶板下方区域，由于各时区之间不存在空间重叠，导引线采用单独高导电、高恢复特性的薄膜材料，相邻时区之间采用橡胶绝缘带隔离；当子弹穿过时，通过信号采集电路实时监测方位正导电层各时区与方位负导电层各时区之间的导通情况来判断弹着点的方位信息。

图5 方位导电层布局

3 报靶采集终端设计

3.1 采集终端总体框架

报靶采集器总体方案如图6所示，主要功能模块包括主处理器模块、信号处理模块、存储模块、数据收发模块、电量检测模块、软开关模块、调试配置模块和供电模块。

图6 报靶采集终端总体框架图

主处理器模块基于STM32F407VET6设计，该处理器具有丰富的外设资源，时钟频率可达168 MHz，满足对信号采集的要求。

信号处理模块基于一系列三极管、与门和锁存器器件搭建，可以实时检测弹点的命中信号，以I/O口形式与主处理器相连。

存储模块选用串行Flash存储芯片W25Q128，SPI通信模式，标准SPI通信支持时钟频率高达104 MHz，存储空间可达128 MB，用于报靶采集器相关参数配置和弹点的本地存储，相关参数包括靶道号、设备地址和通信速率等。

数据收发模块选用有人科技的串口转WIFI模块USR-WIFI232-B2，工业级WIFI模块，简单设置后即可实现串口与WIFI之间的双向透传。

供电单元选用12 V内嵌式锂电池，通过线性稳压芯片LM2576转化为5 V和3.3 V，通过升压芯片NCP1403将5 V升压至标准的12 V供信号采集电路使用。

电量采集模块用于实时监测电池电量信息，配合软开关模块可实现低电量自动关机功能。

调试配置模块配合用户参数配置软件，可实现报靶器内部相关参数的配置，包括靶道号、设备地址和通信速率等。

信号处理模块作为整个报靶器的核心模块，根据胸环靶板导电层的布局结构来设计信号处理电路，下面重点介绍信号处理模块。

3.2 信号处理模块设计

根据胸环靶板导电层设计结构，正负导电层各有N个检测点位，信号电路需要采集正负导电层点位的导通关系来确定弹着点的环数和方位信息。该检测原理与矩阵输入检测相似，以环数导电层检测为例，如图7所示。处于对角线的连接点对应具体的环数信息，由于环数导引线与其他环数存在空间重叠，矩形上的其他连接点也会被检测到，需要软件去做过滤。

图7 环数矩形检测原理图

根据矩形检测原理，本文在设计信号采集电路时，将正导电层的N个点位设计为NPN连接方式，负导电层的N个点位设计为PNP连接方式，一旦正负导电层的某2个点位通过子弹连通，则触发相应的MCU对应的引脚电平变化。NPN信号检测点电路和PNP信号检测点电路如图8和图9所示。RP1连接正导电层导引线，LP1连接负导电层导引线，一旦子弹穿过2个点瞬间，PNP电路的12 V电源信号经过R1和R7分压，NPN的输入电压提升至4 V左右，V4打开，HCRP1信号由默认的拉高变成拉低，PNP的输入电压和NPN一致，R1端的压差为8 V左右，V1打开，12 V信号经过R3接到V2输入，V2打开，HCPL1信号由默认的拉高变成拉低。

图8 NPN信号检测点原理图

图9 PNP信号检测点原理图

由于正负导电层之间的间隙是一致的，在子弹穿透靶板靶板有效区域时，必定会在1个或多个导电层的导引信号输入从高电平变成低电平，以正导电层为例，将所有NPN处理后的信号接入到与门电路和锁存电路，如图10和图11所示。与门电路的输出TRIG作为单片机信号检测的触发点，一旦检测到与门输出为低电平，单片机控制锁存器的使能引脚，采集当前时刻所有信号的高低电平，寻找矩阵检测的对角输入来获得当前的环数信息，若存在2 个环数信息，按照报高环数的原则。

图10 信号与门处理电路图

图11 信号锁存电路图

方位层检测与环数层检测原理一致，这里不再赘述。

4 报靶显示终端设计

报靶显示终端供射手端查看射击成绩，通过无线模块接收来自报靶采集器的弹点数据。该终端在三防仪器仪表箱基础上进行改造，采用翻盖式设计，上盖内嵌可触摸屏幕，下箱体放置控制电路板、电池、语音播报模块、通信模块，整体达到IP67防护等级，满足野外恶劣条件下射击训练要求。整体系统框架如图12所示，主要包括主处理器模块、语音播报模块、触摸屏模块、软开关模块、调试配置模块、WIFI通信模块、电量检测模块、数据存储模块、程序升级模块和供电模块。