自循跡移動靶車設(shè)計方案與實現(xiàn)

整個控制系統(tǒng)可分為檢測系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)和動力系統(tǒng)3部分。檢測系統(tǒng)相當(dāng)于靶車的“眼睛”，采集靶車移動的路徑信息；控制決策系統(tǒng)相當(dāng)于靶車的“大腦”，保證系統(tǒng)穩(wěn)定、協(xié)調(diào)、有序的工作；動力系統(tǒng)用于完成靶車的各種運動姿態(tài)。系統(tǒng)的工作信息流程如圖1所示，檢測系統(tǒng)實時采集靶車移動的路徑信息，經(jīng)控制決策系統(tǒng)分析、處理后控制動力系統(tǒng)做出相應(yīng)的調(diào)整，實現(xiàn)對靶車位置的精確定位和動作控制。

2 系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計
2．1 硬件電路
系統(tǒng)硬件平臺主要由圖像采集模塊、主機控制電路和電機驅(qū)動電路組成，如圖2所示。

2．1．1 主機控制電路
基于ATMegal28內(nèi)部集成有64 kh Flash存儲器和豐富的硬件接口電路，不僅可以直接驅(qū)動繼電器，而且定時器的相頻修正PWM模式是基于雙斜坡操作可以產(chǎn)生高精度的、相位與頻率都準確的PWM波形，適合電機的調(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攝像頭模塊進行路徑信息的采集。OV7620圖像傳感器不但可以直接輸出行場同步中斷信號，而且具有自動增益和自動白平衡控制，能進行亮度、對比度、飽和度等多種調(diào)節(jié)功能，不但省去了復(fù)雜的視頻解碼過程。而且使靶車能夠適應(yīng)于不同的應(yīng)用環(huán)境。實際上，控制靶車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所用的空間，而且加快單片機的圖像處理的速度。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 電機驅(qū)動電路
雙極性可逆PWM系統(tǒng)雖然在低速時運行平穩(wěn)，但電流波動大，功率損耗較大，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險，限制了開關(guān)頻率的提高，所以系統(tǒng)采用單極性可逆PWM方式驅(qū)動電機，避免了開關(guān)管直通、提高系統(tǒng)的可靠性，盡管輕載時會出現(xiàn)斷流，可以通過提高開關(guān)頻率的方法或改進電路設(shè)計來克服，具有驅(qū)動能力強、控制簡單、速度快、可靠性高且成本低等優(yōu)點。驅(qū)動控制器電路如圖3所示。

2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
當(dāng)系統(tǒng)收到校驗正確的移動命令后靶車進入循跡模式，在移動中根據(jù)經(jīng)過的輔助停位橫條判斷是否到達目標位置，最終停位在目標點上。在移動過程中，靶車在任意時刻都要知道自己處在什么位置并決定下一步該如何動作。
為了能夠?qū)崟r、可靠的檢測路徑信息，保證靶車及時作出響應(yīng)，整個循跡控制過程在中斷中完成。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位置偏差經(jīng)比例、積分、微分運算后，根據(jù)結(jié)果調(diào)節(jié)左、右電機的轉(zhuǎn)速，使靶車對當(dāng)前路徑作出快速、準確的反應(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)。

靶車的偏移誤差增量△U只與本次移動偏差ek、上次移動偏差ek-1、上上次移動偏差ek-2有關(guān)。在一般情況下，會在一個相對較小的范圍內(nèi)波動最后達到平滑控制?？紤]到控制量有可能溢出或小于零，因此對輸出增量設(shè)定了上限值Ui_max和下限值Ui_min。
由于靶車沒有固定的數(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靶車的檢測系統(tǒng)、控制決策系統(tǒng)和動力系統(tǒng)三大功能模塊的設(shè)計方案與實現(xiàn)方法。由于路徑鋪設(shè)方便、費用低、實時性強，并具有靈活的機動特性，所以自循跡移動靶車將是進行常規(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)練場所應(yīng)用。