自循跡移動(dòng)靶車(chē)設計方案與實(shí)現

整個(gè)控制系統可分為檢測系統、控制決策系統和動(dòng)力系統3部分。檢測系統相當于靶車(chē)的“眼睛”，采集靶車(chē)移動(dòng)的路徑信息；控制決策系統相當于靶車(chē)的“大腦”，保證系統穩定、協(xié)調、有序的工作；動(dòng)力系統用于完成靶車(chē)的各種運動(dòng)姿態(tài)。系統的工作信息流程如圖1所示，檢測系統實(shí)時(shí)采集靶車(chē)移動(dòng)的路徑信息，經(jīng)控制決策系統分析、處理后控制動(dòng)力系統做出相應的調整，實(shí)現對靶車(chē)位置的精確定位和動(dòng)作控制。

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

2．1．1 主機控制電路
基于A(yíng)TMegal28內部集成有64 kh Flash存儲器和豐富的硬件接口電路，不僅可以直接驅動(dòng)繼電器，而且定時(shí)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，適合電機的調速控制，所以采用ATMegal28的最小系統作為系統的主機控制電路。
2．1．2 圖像采集模塊
系統采用OV7620攝像頭模塊進(jìn)行路徑信息的采集。OV7620圖像傳感器不但可以直接輸出行場(chǎng)同步中斷信號，而且具有自動(dòng)增益和自動(dòng)白平衡控制，能進(jìn)行亮度、對比度、飽和度等多種調節功能，不但省去了復雜的視頻解碼過(guò)程。而且使靶車(chē)能夠適應于不同的應用環(huán)境。實(shí)際上，控制靶車(chē)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。結合攝像頭的視野大小，系統將圖像采集分辨率由原始的492x664降低到25x47，保證系統能夠快速、有效的采集路勁信息。
2．1．3 電機驅動(dòng)電路
雙極性可逆PWM系統雖然在低速時(shí)運行平穩，但電流波動(dòng)大，功率損耗較大，尤其是必須增加死區來(lái)避免開(kāi)關(guān)管直通的危險，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高，所以系統采用單極性可逆PWM方式驅動(dòng)電機，避免了開(kāi)關(guān)管直通、提高系統的可靠性，盡管輕載時(shí)會(huì )出現斷流，可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率的方法或改進(jìn)電路設計來(lái)克服，具有驅動(dòng)能力強、控制簡(jiǎn)單、速度快、可靠性高且成本低等優(yōu)點(diǎn)。驅動(dòng)控制器電路如圖3所示。

2．2 系統軟件設計
當系統收到校驗正確的移動(dòng)命令后靶車(chē)進(jìn)入循跡模式，在移動(dòng)中根據經(jīng)過(guò)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(diǎn)上。在移動(dòng)過(guò)程中，靶車(chē)在任意時(shí)刻都要知道自己處在什么位置并決定下一步該如何動(dòng)作。
為了能夠實(shí)時(shí)、可靠的檢測路徑信息，保證靶車(chē)及時(shí)作出響應，整個(gè)循跡控制過(guò)程在中斷中完成。系統的軟件流程如圖4所示。

為了得到穩定的控制效果，電機控制采用數字增量式PID控制算法。圖像處理后得出的靶車(chē)位置偏差經(jīng)比例、積分、微分運算后，根據結果調節左、右電機的轉速，使靶車(chē)對當前路徑作出快速、準確的反應。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、積分系數和微分系數。

靶車(chē)的偏移誤差增量△U只與本次移動(dòng)偏差ek、上次移動(dòng)偏差ek-1、上上次移動(dòng)偏差ek-2有關(guān)。在一般情況下，會(huì )在一個(gè)相對較小的范圍內波動(dòng)最后達到平滑控制?？紤]到控制量有可能溢出或小于零，因此對輸出增量設定了上限值Ui_max和下限值Ui_min。
由于靶車(chē)沒(méi)有固定的數學(xué)模型，采用工程整定法確定PID控制器的參數。方法是根據經(jīng)驗先將PID參數設定在某些數值上，然后觀(guān)察系統響應情況，再根據具體效果調節相應參數比例度，直到找到合適的控制參數。

3 結論
本文主要闡述自循跡移動(dòng)靶車(chē)的檢測系統、控制決策系統和動(dòng)力系統三大功能模塊的設計方案與實(shí)現方法。由于路徑鋪設方便、費用低、實(shí)時(shí)性強，并具有靈活的機動(dòng)特性，所以自循跡移動(dòng)靶車(chē)將是進(jìn)行常規及特種射擊訓練必備的現代射擊設備，適合公安、武警以及一些特殊訓練場(chǎng)所應用。