CN102338599A - 超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统，尤指一种运用超声感应技术并结合数字信号处理的优选算法进行中靶位置即时精确定位，支持一人或多人同时使用并可提供预赛、决赛不同计分模式以及现场和远程服务的多通道机电一体化系统。它包括超声电子目标靶、目标靶多路信号转换器、射击综合信号控制器、微型计算机、投影仪、网络服务组件、射击控制器、显示牌、VGA监视器、打印机以及多通道连接线，其特征是四个超声传感器固定在靶牌的四角，超声电子靶与目标靶多路信号转换器通过数据线连接，射击综合信号控制器与目标靶多路信号转换器、射击控制器以及微型计算机相连。

Description

超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统

技术领域

本发明涉及机电类，特别是涉及一种超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统，尤指一种运用超声感应技术并结合数字信号处理的优选算法进行中靶位置即时精确定位，支持一人或多人同时使用并可提供预赛、决赛不同计分模式以及现场和远程服务的多通道机电一体化系统。

背景技术

射击运动有着很悠久的历史，逐渐发展成一项竞技体育运动，并广泛的被各国所接受。我国的射击运动起步相对较晚，但发展十分迅速，并逐渐进入射击强国行列。从50年代末开始，我国射击选手在国际舞台初露峥嵘，此后又不断有选手获得世界冠军、打破世界纪录。但是，也应当看到，近几十年来，各国都加强了射击运动的科学研究工作，改进训练方法，提高枪支、器材的质量，射击水平提高很快，许多外国优秀运动员的成绩和我国已经非常接近，甚至在一些传统强项上，我们已经失去了优势。除了加强运动员的训练、锻炼意志品质以外，提高训练的科学性和系统性，大力发展先进射击器材的研究，已经成为射击运动的迫切需要。

目前有以下几种自动定位、识别、报靶的方法：①光电自动报靶；②电子传感报靶；③摄像报靶；④超声传感报靶等。光电传感报靶又分为红外、激光和线阵CCD三种，其中前两种的响应速度还可以接受，只是由于光发生和接收器的尺寸，很难达到精度的要求，而线阵CCD技术一般用于测量低速度的运动物体，光电传感报靶技术复杂，价格昂贵，如中国专利95206124.4、03246740.0和200710019000.6等；电子传感报靶的精度也很低，一般用于娱乐场所的射击游戏；摄像报靶一度非常流行于军事射击训练，优点是安全，缺点是精度较低，不能自动报靶，如中国专利85107388和92106027等，这几种报靶方法在一定时期、一定范围内被采用，但随着时间的推移和技术的发展逐渐被淘汰。目前最先进的是采用超声传感器提取信号进行报靶的方法(被国际射联认可的方法)，其精度是前几种所不能比拟的。实弹射击电子靶报靶系统通过超声传感器检测子弹击穿靶纸时发出的超声波，提取出信号后经过传感器、前置信号放大电路，滤除噪音后，将信号传输到高速A/D数据采集电路进行数据采集，转换后的数据被传输到主控电路进行数据的相关算法处理，得出弹孔的位置坐标并进行相关的数据计算。然后通过通信接口，将计算完成的数据传输到中央控制器进行数据累计和数据比较。其中，主控电路还将实时绘出目标靶图像，通过VGA驱动器在监视器上实现实时报靶。

当前国际上最先进的电子靶报靶系统是瑞士设计的超声探测报靶系统。它采用了超声波传感器，通过检测子弹击穿靶纸所发出的超声波，来确定子弹的位置。从超声的特点来看，由于超声本身的特点，容易达到高精度的要求。近年来，超声测量技术已经比较成熟，易于利用，另外，超声受天气因素影响较小。从多方面来看，超声定位的方法达到了很好的效果。因此，这种方法在国际上很快被推广。目前瑞士生产的实弹射击电子靶报靶系统已经成为奥运会指定标准设备。近年来为了适应比赛和提高成绩，各国纷纷研制和购买射击报靶系统，在国际上，德国的产品已经和瑞士的水平接近。另外俄罗斯和美国在射击器材上的研究、开发也比较突出，取得了相当好的效果。由于进口器材大多价格昂贵，一方面不利于我国射击活动的普及和发展，另一方面也给国家造成很大经济负担。

通过检索国内的专利等文献资料，未发现与本发明相关的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服上述装置或系统在技术上的难题，提高数据传输速度和报靶精度，发明一种基于超声传感的实弹射击自动报靶系统，该系统结构简单，安装方便，精度高，系统可对成绩记录调用和分析，所以不光可以用于射击比赛还可以用于射击训练。

本发明以下列技术方案来实现：

超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统，由超声电子目标靶、目标靶多路信号转换器、射击综合信号控制器、微型计算机、投影仪、网络服务组件、射击控制器、显示牌、VGA监视器、打印机以及多通道连接线组成，子弹击穿靶纸时产生一系列声波，选择其中一定频率的声波，以最先接收到特定声波的传感器产生的时序作为基准时间，这样就会得到三个时间值，再根据传感器之间的位置关系，即可计算出子弹击穿靶纸的坐标，从而得出射击成绩，其特征是四个超声传感器分布在靶牌的四角，八个超声电子靶通过多通路连接线与目标靶多通道信号转换器连接，目标靶多通路信号转换器通过连接线与射击信号综合控制器相连，射击信号综合控制器与微型计算机和八个射击控制器连接。所述的电子靶实弹射击自动报靶系统，其特征是它的射击控制器具有试枪射击和正式比赛射击的按钮选择，具有与打印机、VGA显示器和成绩显示牌连接的接口，它的射击综合信号控制器具有与八个射击控制器连接的接口，以及与微型计算机和与目标靶多路信号转换器连线的接口，它的目标靶多路信号转换器具有八个与超声电子目标靶连线的插座和与射击综合信号控制器连线的插座，它的超声电子目标靶具有四个超声传感器和靶纸卷进装置。所述的电子靶实弹射击自动报靶系统，其特征是通过多通道连接线将射击控制器与VGA显示器、打印机以及成绩显示牌组成一个独立单元，多个独立单元通过连接线与射击综合信号控制器相连，射击综合信号控制器与目标靶多路信号转换器、微型计算机相连，微型计算机可以连接投影仪和接入互联网，目标靶多路信号转换器与多个超声电子目标靶相连，它的射击综合信号控制器和电子目标靶多路信号转换器支持单人和多人共同使用。

超声电子靶信号提取部分的作用是利用超声传感器提取信号，并对提取的信号进行初级滤波放大，将相应的触发信号和控制信号发送到目标靶控制处理器。它由三部分组成，分别是信号滤波放大电路、信号控制电路以及进纸电机的驱动电路。四个传感器提取的信号分别通过选频网络传入四路运算放大器，从超声传感器提取的信号经过放大后传入处理部分，但此时的信号仍为模拟信号，由于模拟信号不稳定，易引入噪声，易失真，所以首先要将其转化为数字信号，然后再对数字信号进行需要的操作。值得注意的是要保证转换的速度足够高，以满足超声信号的需要。信号控制电路听从于处理器中单片机返回的指令，掌握电路的延时，满足传感信号的时序要求。它由三路比较器组成，每部分都有积分电路实现延时，并使用了精密电压参考器件和电流源器件，以保证延时的准确。控制电路经过几次比较后输出一个门电平，与四路放大输出一同送往处理器。目标靶电路中还有一部分是相对独立的，就是进纸微电机的驱动电路，它的控制信号来自控制处理器，然后接单稳态电路，由单稳电路的电阻、电容值搭配决定输出脉宽，输出接驱动器，给出直流电压，驱动直流微电机，调节单稳电路的阻、容值，可以调节输出脉宽，从而改变电机的转速。

目标靶微处理器主要完成对目标靶的控制以及弹着点的计算，此外还负责完成与射击综合信号控制器的数据传输。其中弹着点及环数计算软件的主要任务是完成数据分析，求解弹着点坐标和计算靶环成绩。包括整套实弹射击智能报靶的模拟系统、成绩查询、技术分析和人机界面。操作软件把处理过的数据进行整理，然后模拟出目标靶的图形，绘出靶环，最后标定弹着点的位置。在图像旁边注有所关注的各项参数分析，以及运动员的射击成绩。系统可以有训练、试射、比赛等多种状态，同时可以根据需要改变设定。

目标靶多路信号转换器主要完成从系统的各个目标靶微处理器到射击综合信号控制器的数据连接，主要完成两个功能：首先是和8套目标靶处理器进行数据交换，然后通过射击综合信号控制器内部的控制电路将终端微处理器的数据进行整理，最后进行和中央控制器的数据联络，这也使得射击综合信号控制器内部硬件基本分为两个部分，一个部分就是负责和终端微处理器进行数据联络的AT89C2051芯片组，另一部分为负责和中央控制器进行数据联络的AT89C51芯片组。

中央处理器通过串行接口从射击综合信号控制器中得到具有一定格式的相关数据，在解析这些数据并将数据存储在相应的数据库单元中后，按照一定的方式通过VGA监视器将信息显示出来。按照不同人群对比赛结果显示的不同要求，中央处理器内部软件可以完成决赛成绩排名的动态显示、决赛弹着点位置的实时显示、各选手成绩差距比较和在比赛结束后进行成绩的统计处理、存储、打印数据等多种功能。

本发明用四个超声传感器组成一个电子目标靶，实现了快速准确的弹着点检测，结构简单，耗材少，造价低，使整体结构更加优化。

本发明作为一种自动报靶的方法，是基于上述自动报靶系统实现的，当子弹击穿靶纸时，会产生一系列的声音信号，选择特定的音频信号，由于弹着点距超声传感器的距离不同，四个超声传感器会先后接收到特定音频信号，以最先接收到特定音频信号的传感器产生的时序为基准时间，就会得到三个时间值，实际上是三个时间差值，再会同超声传播速度和传感器的相互位置，可以计算弹着点的两维坐标，从而得出射击成绩。其特征在于，四个传感器提取的信号分别传入四路运算放大器，运放前端由电阻、电容、电感三种元件组成高频滤波选频网络，选出所需的中心频率信号，计算选频网络的传递函数，可得到它的频率特性，选频是通过电阻、电容、电感的谐振实现的，实际是一个很窄的带通滤波。从超声传感器提取的信号经过放大后传入处理部分，但此时的信号仍为模拟信号，由于模拟信号不稳定，所以首先要将其转化为数字信号，然后再对数字信号进行需要的操作。具体步骤是：

第一，超声传感器采集子弹击穿靶纸时产生的超声信号；

第二，将采集到的音频信号经过本发明的滤波、放大和模数转换以后，送入目标靶单片机；

第三，目标靶多通路信号转换器将信号从各个目标靶单片机整理后汇集到射击综合信号控制器；

第四，射击综合信号控制器将一定格式的相关数据，按照一定的方式在各自的VGA监视器和显示牌上显示出来。

附图说明

图1超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统结构示意图

1超声电子目标靶和目标靶单片机 2目标靶多通路信号转换器 3射击综合信号控制器 4微型计算机 5投影仪 6网络服务组件 7射击控制器 8显示牌 9VGA监视器 10打印机

图2目标靶结构示意图

2-1超声传感器 2-2靶纸卷进器

图3显示牌功能示意图

图4射击控制器操作盘示意图

4-1液晶显示窗

图5射击综合信号控制器插孔示意图

5-1射击控制器插孔 5-2微型计算机插孔 5-3与目标靶多路信号转换器连线插孔

图6目标靶多路信号转换器插孔示意图

6-1超声传感靶连线插孔 6-2与射击综合信号控制器连线的插孔

图7坐标定位计算示意图

具体实施方式

超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统组装方式是：八个超声电子靶通过多通道连接线与目标靶多通道信号转换器连接，目标靶多通道信号转换器通过连接线与射击信号综合控制器相连，射击信号综合控制器与微型计算机和八个射击控制器连接，每个射击控制器都连接有一台VGA显示器、一台打印机和一块成绩显示牌，与射击综合信号控制器相连的微型计算机可以连接投影仪和进行远程数据交换。配合指定的硬件设施在开机状态下，可以进行10米、25米和50米等不同距离以及固定靶和移动靶等不同方式的射击比赛，可以选择预赛或者决赛等。

实施例1：总体构成如图1所示，八个超声电子靶通过多通路连接线与目标靶多通道信号转换器连接，目标靶多通路信号转换器通过连接线与射击信号综合控制器相连，射击信号综合控制器与微型计算机和八个射击控制器连接。

实施例2：如图2所示，本发明的实施方案是，超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统，有四个超声电子目标靶固定在超声电子靶的四角，两两连线后形成一个正方形，且其对角线的交点是理论上最高环数的位置。目标靶上下两个位置上各有两个微电机，负责靶纸的移动。目标靶的下部安装有目标靶控制电路板。

实施例3：超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统的自动报靶方法：

当子弹击穿靶纸时，会产生一系列的声音信号，选择特定的音频信号，由于弹着点距超声传感器的距离不同，四个超声传感器会先后接收到特定音频信号，以最先接收到特定音频信号的传感器产生的时序为基准时间，就会得到三个时间值，实际上是三个时间差值，再会同超声传播速度和传感器的相互位置，可以计算弹着点的两维坐标，从而得出射击成绩。如图3、4、5、6所示，具体步骤是：

第一，超声传感器采集子弹击穿靶纸时产生的超声信号；

第二，将采集到的音频信号经过本发明的滤波、放大和模数转换以后，送入目标靶单片机；

第三，目标靶多通路信号转换器将信号从各个目标靶单片机整理后汇集到射击综合信号控制器；

第四，射击综合信号控制器将一定格式的相关数据，按照一定的方式在各自的VGA监视器和显示牌上显示出来；

第五，超声传感器的位置和滤波放大电路的参数确定以后，就可以通过以下方程计算弹着点：

如图7所示，正四边形代表靶面，I、II、III、IV分别代表四个传感器的位置，2a为靶面的边长。若建立以正四边形中心为原点直角坐标系，那么四个点的坐标如图所示。假设有一子弹击穿靶纸，弹孔为D，那么D到四个传感器的距离分别为1_I、1_II、1_III、1_IV。

设D点坐标为(x，y)，由图我们可以列出一组方程：

${(x+a)}^2+{(y+a)}^2=l_I^2$

${(x+a)}^2+{(y-a)}^2=l_{\mathrm{II}}^2$

${(x-a)}^2+{(y-a)}^2=l_{\mathrm{III}}^2$

${(x-a)}^2+{(y+a)}^2=l_{\mathrm{IV}}^2$

如果按照图示的位置，传感器III首先接收到信号，它的计数器在被触发的同时立即被中止了，也就是它的计数值为0。我们称计数值为0的传感器为基准传感器，它的计数器值为基准值。其它三路计数器I、II、IV均为相对于基准值作计数，在图中所对应的超声行程差分别为ΔI、ΔII、ΔIV。

为了整齐起见，我们把ΔIII也加入到式中，那么它的值应该为0，可建立下式：

Δ_I＝l_I-l_III

Δ_II＝l_II-l_III

Δ_IV＝l_IV-l_III

Δ_III＝0

我们将它们集中表达为：

Δ_i＝l_i-min{l_k}|_{k＝I，…IV}    i＝I，…IV

此时我们得到的是计数器的脉冲个数，而不是距离，因此要将脉冲个数转换成距离。设传感器i所对应的计数信为Ni，则

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{N_i\·f}{c}$ i＝I，…IV

其中，f为脉冲计数的频率，c为声速，只要知道这两个参数，就可以求出Δi。Ni是测定的实验数据；f是PLD系统所给定的，可以从5MHz到200MHz，在我们的实验过程中发现，40MHz到100MHz的频段计算效果最好，因此我们选择了80MHz作为PLD的晶振。

这时，公式中引入到了一个新的参数，就是声速，因此我们首先给出声速的计算公式。声波在不同介质中的传播速度是不同的，对于我们来说，它的传播介质就是空气。在空气中有多种因素影响着声波的速度，包括密度，比热，温度，压强和粘滞性系数等。

空气的密度为：

$\mathrm{\ρ}=1.29\frac{273.15}{T}\×\frac{P}{1.013\×{10}^5}$

空气中的声速为：

$c=\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}{P}_0}{\mathrm{\ρ}}}$

式中P0是大气静态压强；ρ是空气密度；γ是比热比，对于空气来说γ＝1.4。因为射击比赛和训练都是在室内进行，空气的比热、压强、密度等变化很小，对系统不构成影响，并且国际射击协会对比赛的环境条件有明确规定，因此可以把比赛和训练中的空气视为理想气体，即声速只与空气的绝对温度有关，大气压可由P0代入。

此时可以得到声速为：

$c=20.05\sqrt{T}$

式中T为绝对温度，T＝273.15+t℃，t为摄氏温度。

这时，我们的公式可以化成以下最终形式：

${\mathrm{\Δ}}_i=\frac{N_i\·f}{20.05}\sqrt{\frac{1}{273.15+t}}$ i＝I，…IV

此时公式右边唯一的未知量变成了温度t，而这对我们来说是容易解决的。

为此，我们在信号处理部分的设计中加入了温度传感器一项，来专门实时监测环境温度，传感器选择了DALLAS公司的DS1821。DS1821是一种功能强大的可编程式数字温度传感器，它的温度测量范围是-55℃～125℃，步长为1℃，只需要1秒就可完成温度到数字的转换，精度可最高达到0.5℃。并且它体积小，无需外接元件，内部参数可由用户自行设定，是一种便利的温度控制、温度监测的手段。DS1821的三个管脚分别是VDD、GND和DQ，它就是通过DQ脚进行1线制的数据输入输出的，在编程和读数时，有自己独特的时序。

此时，我们可以得出弹着点的中心距最近的传感器的距离R为：

$R=\frac{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{II}}^2+{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{IV}}^2-{\mathrm{\Δ}}_I^2}{2({\mathrm{\Δ}}_I-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{II}}-{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{IV}})}$

从而，可以得出弹着点的中心坐标。同时还有一个结论：超声传感器不在同一条直线上时的最少数量是四个，在同一条直线上时，可以减为三个。

根据射击竞赛规则的要求，即10环以上和10环以下的计算方法不同，我们省略了推导过程，直接给出具体的计算公式，设弹着点的中心坐标为(x，y)，距离靶环中心为r，则公式如下：

$r=\sqrt{x^2+y^2}$

当r-RB≤C时，即成绩为10环以上，环数S为：

$S=11.0-\left(\frac{r}{\mathrm{RB}+C}\right)$

当r-RB＞C时，即成绩在10环以下，环数S为：

$S=11.0-\left|\frac{(r-\mathrm{RB})}{\mathrm{CS}}\right|$

其中RB为子弹半径(弹着点半径)，CS为每环间距(单位毫米)，C为10环半径(单位毫米)，S为成绩(单位环)。这时计算得到的S为最终的射击成绩。

实施例4：射击成绩通过射击综合信号控制器传送到射击控制器然后再通过显示牌和VGA监视器将靶牌再绘图和成绩展现给运动员和观众。

Claims (4)

1.一种超声电子靶实弹射击多通道自动报靶系统，它包括超声电子目标靶、目标靶多路信号转换器、射击综合信号控制器、微型计算机、投影仪、网络服务组件、射击控制器、显示牌、VGA监视器、打印机以及多通道连接线，其特征是四个超声传感器分布在靶牌的四角，超声电子靶与目标靶多路信号转换器通过连接线连接，八个超声电子靶通过多通路连接线与目标靶多通道信号转换器连接，目标靶多通路信号转换器通过连接线与射击信号综合控制器相连，射击信号综合控制器与微型计算机和八个射击控制器连接。

2.按照权利要求1所述的电子靶实弹射击自动报靶系统，其特征是它的射击控制器具有试枪射击和正式比赛射击的按钮选择，具有与打印机、VGA显示器和成绩显示牌连接的接口，它的射击综合信号控制器具有与八个射击控制器连接的接口，以及与微型计算机和与目标靶多路信号转换器连线的接口，它的目标靶多路信号转换器具有八个与超声电子目标靶连线的插座和与射击综合信号控制器连线的插座，它的超声电子目标靶具有四个超声传感器和靶纸卷进装置。

3.按照权利要求1所述的电子靶实弹射击自动报靶系统，其特征是通过多通道连接线将射击控制器与VGA显示器、打印机以及成绩显示牌组成-个独立单元，多个独立单元通过连接线与射击综合信号控制器相连，射击综合信号控制器与目标靶多路信号转换器、微型计算机相连，微型计算机可以连接投影仪和接入互联网，目标靶多路信号转换器与多个超声电子目标靶相连，它的射击综合信号控制器和电子目标靶多路信号转换器支持单人和多人共同使用。

4.一种基于权利要求1～3的超声电子靶实弹射击多通道自动报靶方法，当子弹击穿靶纸时，会产生一系列的声音信号，选择特定的音频信号，由于弹着点距超声传感器的距离不同，四个超声传感器会先后接收到特定音频信号，以最先接收到特定音频信号的传感器产生的时序为基准时间，就会得到三个时间值，实际上是三个时间差值，再会同超声传播速度和传感器的相互位置，可以计算弹着点的两维坐标，从而得出射击成绩，其特征在于，四个传感器提取的信号分别传入四路运算放大器，运放前端由电阻、电容、电感三种元件组成高频滤波选频网络，选出所需的中心频率信号，计算选频网络的传递函数，可得到它的频率特性，选频是通过电阻、电容、电感的谐振实现的，实际是一个很窄的带通滤波。从超声传感器提取的信号经过放大后传入处理部分，但此时的信号仍为模拟信号，由于模拟信号不稳定，所以首先要将其转化为数字信号，然后再对数字信号进行需要的操作。具体步骤是：

第一，超声传感器采集子弹击穿靶纸时产生的超声信号；

第二，将采集到的音频信号经过本发明的滤波、放大和模数转换以后，送入目标靶单片机；

第三，目标靶多通路信号转换器将信号从各个目标靶单片机整理后汇集到射击综合信号控制器；

第四，射击综合信号控制器将一定格式的相关数据，按照一定的方式在各自的VGA监视器和显示牌上显示出来。

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