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基于点识别的自动报靶系统胡凯;沈新锋;张瑞东【摘要】设计分为激光枪打靶和激光枪着落点识别两个部分.在正式打靶前,需要手动按键进行靶心和靶环间的距离校准,校准完成后可正式打靶.正式打靶时,手动按键控制激光枪上下左右移动并发射激光束,通过按键控制摄像头采集激光点的信息.采集完成后,通过按键控制在液晶显示屏上显示相应的闪烁点,同时在显示屏上显示激光点的方位信息和环数信息.【期刊名称】《电气自动化》【年(卷),期】2015(037)004【总页数】3页(P87-89)【关键词】打靶;激光枪;摄像头;识别;方位;环数【作者】胡凯;沈新锋;张瑞东【作者单位】南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044;南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044;南京信息工程大学信息与控制学院,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】TP2720 引言本设计采用msp430F149作为核心处理器，设有打靶和报靶两套装置。
打靶装置用来打靶和按键控制发送命令，报靶装置用来接收命令进行激光点的位置识别和报靶。
1 总体设计方案图1 实物模型图本设计包含两个部分，模型如图1所示。
第一个部分是激光枪打靶。
此装置的系统结构如图 2(a)所示，硬件［1］上采用了无线模块nRF905、细分器2M542、4*4矩阵键盘、激光笔和42步进电机搭建的二维云台。
本设计中选择四个按键控制步进电机上下左右移动，选择二个按键进行靶心校准和靶环距校准，选择二个按键进行图像采集和自动报靶，选择二个按键控制激光笔的打开和关闭。
在进行靶心校准时，将激光点打到靶心位置，MCU 控制摄像头识别激光点并记录下实际靶心位置的偏差值。
在进行靶环间的距离校准时，选择任意一个靶环，将激光点打到该靶环上，MCU控制摄像头识别激光点并记录下与显示屏上所画的靶环的比例系数。
校准完成后，便可将激光笔打到摄像头拍摄范围内任一位置，通过按键控制摄像头获取激光点的横纵坐标，根据记录的偏差值自动修改，再通过按键便可显示点的方位信息和环数信息。
激光模拟射击指示器设计引言激光模拟射击指示器是一种用于模拟射击游戏的装置，通过发射激光光束来模拟射击动作，并通过指示器反馈用户的命中情况。
本文将介绍激光模拟射击指示器的设计原理、硬件组成和软件实现。
设计原理激光模拟射击指示器的设计原理主要包括激光发射、光电传感、命中判定和反馈等几个方面。
1. 激光发射激光模拟射击指示器通过激光发射器发射激光光束，模拟真实射击的光束发射过程。
激光发射器一般由激光二极管和适配电路组成，通过适配电路控制激光二极管的工作电流，实现激光的发射与关闭。
2. 光电传感激光模拟射击指示器使用光电传感器来接收激光光束，判断玩家是否命中目标。
光电传感器一般由光敏二极管和信号处理电路组成。
当激光光束被目标物体遮挡时，光敏二极管接收到的光信号会有所变化，通过信号处理电路可判断出命中与否。
3. 命中判定激光模拟射击指示器的命中判定由相应的软件算法实现，根据光电传感器接收到的光信号变化情况，结合游戏设定的命中规则，判断玩家是否成功命中目标。
命中判定算法的设计需要考虑光照环境的影响、准确度和实时性等因素。
4. 反馈激光模拟射击指示器通过指示器反馈命中情况给玩家，一般采用发光二极管或液晶显示屏来显示命中结果。
当玩家成功命中目标时，指示器会亮起或显示相应的得分情况。
硬件组成激光模拟射击指示器的硬件组成主要包括激光发射器、光电传感器、单片机和指示器显示等几个部分。
1. 激光发射器激光发射器是激光模拟射击指示器中最重要的组成部分之一。
激光发射器一般由激光二极管和适配电路组成。
适配电路负责控制激光二极管的工作电流，从而控制激光的发射和关闭。
2. 光电传感器光电传感器用于接收激光光束，并将接收到的光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光敏二极管和信号处理电路组成。
通过信号处理电路可以对接收到的光信号进行放大、滤波和数字化处理等操作。
3. 单片机单片机是整个激光模拟射击指示器的控制核心。
它负责接收光电传感器传来的信号，进行命中判定，控制指示器的显示以及和游戏主机进行通信。
说明书摘要一种轻武器射击自动报靶的方法和装置，所述的方法包括：图像采集，弹孔识别，成绩判别，结果输出。
在弹孔识别步骤，本发明设计了快速的局部图像曲面特性分析方法，能够有效的去除复杂环境下图像变化检测结果中的大量噪声，并通过进一步时域分析的方法确认最终弹孔；在结果输出步骤，提供真实靶显示和模拟靶显示两种途径，通过模拟靶技术，可以在提高用户体验的同时，有效的节省成本。
所述的装置包括：多个长焦镜头和CCD摄像机，图像处理工控机，用于控制和显示的触摸屏。
本发明对于环境具有良好的适应性，即使在比较恶劣的天气，比如大风，有雾，低照度等情况下，仍具有良好的性能。
权利要求书1，一种轻武器射击自动报靶的方法和装置，其特征在于包括如下步骤：步骤S1：用户通过触摸屏选择靶车位置，装置控制靶车到达指定距离，同时选择对应距离的长焦镜头和CCD摄像机将采集到的靶面图像通过采集卡传输的图像处理工控机。
步骤S2：融合图像变化检测，图像局部曲面特征分析以及时域分析三种方法进行弹孔检测。
步骤S21：首先通过一个三点算法对靶面倾斜以及抖动情况进行计算，将输入图像进行校正和对准。
通过将当前输入图像与在线更新的靶面历史图像进行比较，获取发生变化的部分。
步骤S22：通过对图像的局部曲面特征进行分析，将图像分割为弹孔区域和非弹孔区域。
步骤S23：利用时域信息对初步检测到的弹孔进行验证，增加弹孔检测的准确性。
步骤S3：通过提取的环线信息，弹孔位置和尺寸计算射击成绩，成绩包括环数和方位。
步骤S4：将自动报靶结果实时显示到界面上，同时进行语音报靶。
并提供成绩打印功能。
2，根据权利要求1所述的轻武器射击自动报靶装置，其特征在于包括长焦镜头(P1)，CCD摄像机(P2)，图像处理工控机(P3)，用于显示和控制的触摸屏(P4)，摄像机支架(P5)，靶道(P6)，靶车(P7)，靶纸(P8)。
3，根据权利要求1所述的轻武器射击自动报靶的方法和装置，其特征在于使用多个长焦镜头和CCD摄像机采集不同距离的靶面图像，通过CCD面积，靶车距离，靶面面积计算出所需要的镜头的焦距，保证靶面采集到的图像具有很好的清晰度，又保证靶面在视野中有足够的面积。
[1] 沈建华等著， MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M]，北京：北京航空航社，2010 [2] 华成英, 童诗白著，模拟电子技术[M]，北京：高等教育出版社，2006年 [3] 阎石著，数字电子技术基础[M]，北京：高等教育出版社，1997年 [4] 沈建华等. MSP430系列16位超低功耗单片机实践.清华大学出版社，2005.4 [5] 刘刚，彭荣群著. Protel DXP 2004 SP2原理图与PCB设计[M]. 北京：电子工业出版社2007 [6] 鹿玉红，戴彦，江培蕾. 基于PROTEUS的DS18B20数字温度计的仿真实现[J]. 福建电脑，2010，(1)：117-118.
2012年TI杯四川省电子设计竞赛
激光枪自动射击报靶装置（E题） 【本科组】
时间：8.5－8.7 编号：XS-13-本-E 摘要：本设计采用MSP430F169单片机和MSP430G2553单片机作为控制核心，系统主要包括电源模块、步进电机驱动模块、摄像头采集模块、激光发射模块、LCD12864报靶装置和按键控制模块显示装置电路。主要控制整个系统实现了按键控制及自动定位打靶，从任意位置迅速击中靶心，并使用摄像头采集打靶数据，通过单片机以处理后，用LCD12864显示打靶环数，图像和方位。通过实验表明：该系统达到了设计的各项要求。 关键词：MSP430F169单片机；MSP430G2553单片机；步进电机电机；OV6620FIFO摄像头；激光头；独立按键键盘；LCD12864
1.系统方案设计，比较与论证 根据题目基本要求，设计任务完成按键控制打靶，自动定位打靶，摄像头对打靶情况采集，并用单片机处理后，在LCD12864液晶显示屏上显示打靶结果。为完成相应功能，，系统由MSP430G2553单片机，电源模块，电机驱动模块，激光头打靶模块，摄像头模块及LCD12864显示模块构成，系统方案如图1所示
MSP430f169单片机最小系统
电机驱动模块
激光头模块 电源模块
按键控制模块
LCD12864模块
摄像头模块 MSP430g2553单片机最小系统 图1 系统框图 1.1控制模块方案论证 方案一：采用TI公司的msp430f169，msp430g2553单片机作为控制器。相对于本设计题目设计来说，由于采集和打靶硬件问题，我们需要用到两个单片机。 msp430f169单片机工作频率高，功耗低，I/O口多，性价比高，相对于本设计题目来说，需要较多IO口，及优越的Flash，m430g2553单片机，使用超低功耗，符合题目设计要求。 方案二：采用TI公司的AT89S52单片机，但51单片机处理速度慢，功耗相对较高，且不符合题目要求。 通过上述描述表明，方案一优于方案二，我们选择第一种方案。 1.2电源模块的方案论证 方案一：双电源供电。电动机驱动电源采用12V稳压电池，单片机及其外围电路电源采用5V钮扣电池供电，两路电源完全分开，这样做可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。但是造成了电池资源的浪费，使花费增大。 方案二：所有器件采用单一电源(12V)供电，通过7812稳压输出提供给需要12V的地方，通过2596稳压输出提供给需要5V的地方,通过LM1117输出3.3V电压给无线模块。这样供电简单方便，而且使电池充分的应用，节约了资源。 我们认为本设计的性价比和方便性更为重要，故拟采用方案二。 1.3电机驱动模块。 方案一：中功率三级管直接搭建 在电机驱动要求不高的地方可以由三极管直接搭建一个驱动电路，使用三级关搭建的电机驱动电路电路简单，但功率和性能一般。对输入信号要求较高，输出性能只能满足一般要求。 方案二：使用专用电机驱动芯片ULN2003 ULN2003的驱动能力强，输入电压可变化范围大，是一块专用直流电机驱动芯片。其各项性能都较好，且价格便宜，体积小，性能优越。 综上考虑，两个步进电机使用方案二。 1.4数据采集电路的论证与选择 方案一：摄像头采集图像信号进行图像分析 由摄像头采集图像信号，通过采集到的图像信号进行图像分析，然后计算出击中光点所在位该方案具有信息精确度高、抗干扰性强等优点。 方案二：使用光敏电阻对击中区检测 由光敏电阻加上一些辅助电路实现击中光斑的识别。由于靶场由白底和黑色的引导线组成，光敏元件可以在黑色和白色区发光区域识别，检测到光，电阻值变小。该方案具有电路简单，成本低廉，但干扰较大，信息精度低。 通过比较，本设计采用方案一。 1.5报靶电路模块的论证与选择 方案一：采用语音方式报靶 通过喇叭及一些辅助电路通过单片机控制，根据摄像头采集，控制芯片处理得出的数据，用喇叭方式进行语音报靶，但这种方式硬件制作相对复杂。 方案二：使用LCD12864显示报靶 由单片机控制LCD12864，根据采集处理到的数据，在12864上画图显示，并报靶，该方案具有电路简单，成本相对语音方式低廉，且显示结果精准。 通过比较，本设计采用方案二。
1.6按键控制模块的论证与选择 方案一：采用独立按键控制激光笔的转动，以实现准确打靶。独立按键，使用方便，且电路简单。 方案二：采用矩阵键盘控制，但根据实际需要，矩阵相对资源浪费，且编程相对复杂。 综上比较，我们选择方案一。 2.理论分析与计算 2.1定位打靶及控制分析 2.1.1按键控制打靶 使用一个独立按键键盘，控制两个步进电机的转动，以第一个电机实现激光笔的上下，第二个电机实现左右移动，通过激光笔的转动，实现打靶位置的移动，最终实现按键控制打靶，同时分配一个独立按键，实现模式切换，实现自动定位打靶。 2.1.2自动定位打靶 通过按键先控制，确定任意打靶位置，并进行定位，实现15秒内瞄准击中靶心。 2.1.3摄像头的数据采集 使用OV6620FIFO摄像头对打靶情况进行数据采集，并将采集所得数据存入fifoAL422B，再从fifo传送给msp430g2553单片机进行处理，其中，OV6620可以每秒采集25帧，一帧两场，那么每秒就有50场，意味着20MS就有一幅图像产生。356x 292 pixels，理解为：有292行，一行有356个点，但根据实际情况，我们
只采集一帧。并采用二值化方式，是输出图像为黑白灰度形式，根据采集的图像灰度来进数据分析，用于在单片机上处理，以确定任意打靶坐标和正确显示打靶结果。
2.1.4打靶结果显示
采集数据通过单片机MSP430F169处理后，用LCD12864对结果进行显示。主要显示打靶画面，以及弹着点的环数与方位信息。 2.1.5节能分析 使用低功耗的msp430f169和超低功耗的msp430g2553控制芯片，并使用28BYJ步进电机，功耗相对低，精度高，最大限度的节约能源，降低功耗。 3.电路与程序设计 3.1硬件电路设计 3.1.1电源 由于控制芯片小系统，显示电路，步进电机运转驱动激光笔打靶，摄像头各模块需要的电压不同，为了实现单电池供电，我们将7812、2596和LM1117做到一个板子上，实现了12V电压、5V和3V电压实现输出功能。具体电路如图2：
3V电源 图2 电源电路 3.1.2驱动电路
驱动电路包括一片ULN2003芯片，该驱动芯片带负载能力强，温度范围宽，起保护作用，避免电流过大而损坏驱动芯片，具体电路如图3所示。
图3 驱动电路 3.1.3摄像模块电路
摄像模块电路由AL422B和ov6620组成，AL422B输入端与摄像头0v6620相连，输出端与单片机相连，具体电路如图4所示。
12V电源 5V电源 图4 摄像头模块电路 3.1.4报靶显示模块电路
报靶部分使用LCD12864显示，主要显示摄像头采集到的打靶图像，打中环数及其打中区域，具体电路如图5所示。
图5 LCD12864报靶显示模块电路 3.2软件设计 3.2.1主程序流程图 开始12864显示报靶模式选择
结束
系统初始化
按键确定打靶位置按键直接控制移位打靶用摄像头设定坐标打靶
BCA
图6 主程序流程图 3.2.2摄像头采集处理显示程序流程图 开始
结束初始化系统
打开写使能捕捉中断上升沿捕捉中断上升沿
进入while(1)循环
关闭写使能从FIFO读数据比较数据以得出坐标
12864显示
YY
图7 摄像头模块流程图 3.2.3打靶模块程序流程图 按键扫描结束进入打靶模式
开始进入while（1）循环
处理扫描结果并上下左右移动
设定坐标，数码管显示
系统初始化
回到靶心按坐标打靶功能键是否按下YYN
N
图8 打靶程序流程图 4 系统测试 4.1测试方法 自制胸环靶，靶心直径10cm,各靶环间距5cm,共六环，由激光笔代替激光枪，实现打靶。打靶方式包括：按键控制打靶，自动打靶，摄像头按坐标自动打靶。打靶内容包括打靶环数，打靶方位，如中心、正上、正下、正左、正右、左上、左下、右上、右下以及在15秒内将激光束光斑从胸环靶上的指定位置迅速瞄准并击中靶心（即10环区域），并检测打靶是否正确，及偏移量，由12864显示打靶结果。
4.2测试结果与分析 4.2.1按键控制打靶测试，测试数据如下：
次数 设定环数 实际环数 1 10 10 2 9 9 3 8 8
4.2.2摄像头识别打靶，测试数据如下： 次数 设定环数 设定方向 实际环数 实际方向 1 7 右上 7 右上 2 8 左上 8 正左 3 9 正下 9 正下
4.2.3液晶显示打靶环数及弹着点，测试结果如下： 次数 设定打靶环数 设定方位 显示是否正确 1 8 左上 是 2 9 正右 是 3 7 右下 是
