基于導電橡膠的胸環方位靶自動報靶技術研究

王宇，張朋

（南京潤景豐創信息技術有限公司，南京 210000）

0 引言

在現代戰爭中，射擊訓練的重要性越來越受到重視。精度射擊作為軍事訓練中必不可少的一部分，需要對命中目標的彈著點位置進行精確檢測，對提高士兵的技能水平、作戰能力、心理素質和部隊整體戰斗力都有著非常重要的意義[1-3]。

目前常用的實彈精度報靶方式主要有聲電定位靶、紅外熱像精度靶、圖像視覺報靶和光電靶等[4-6]。童俊杰等[7]采用壓電式超聲波傳感器作為激波的測量傳感器，利用彈丸在飛行中產生的激波在經過不同位置處傳感器時產生的時間差，通過建立合適的數學模型，結合TDOA定位算法計算出彈著點坐標值。胡雙喜等[8]利用遠紅外攝像頭捕獲的圖像經過二值處理、坐標提取后計算彈著點位置，實現自動報靶；苑瑋琦[9]提出一種基于機器視覺技術的實彈報靶系統，系統利用滯后閾值邊緣檢測使得彈孔信息更加明顯，比較前后2幀圖像獲取彈孔位置坐標，從而實現利用實時視頻圖像的實彈報靶功能。其中聲電定位靶精度高，可以滿足全天候使用，但長時間使用存在傳感器易老化、靈敏度降低等問題[10]；紅外熱像精度報靶一般采用紅外熱像儀，成本高，每次更換場地需要重新校準[11]；圖像視覺報靶對光線要求比較高，一般用于室內，且對同一彈孔的彈著點存在漏報現象[12]；光電靶制作成本較高，靶板兩側需要安裝防護鋼板，靶板比較笨重，更換復雜、不便攜[13]。

本文提出一種基于導電橡膠的胸環方位靶，通過多層貼裝的布局結構，可實現彈著點的時區和方位報靶。

1 系統組成

整個胸環方位靶系統主要由特制的胸環靶板、報靶采集器和射手報靶顯示終端3部分組成，其系統架構如圖1所示。

圖1 胸環方位靶系統架構圖

特制的胸環靶板作為受彈傳感器，子彈穿過靶板的瞬間，由報靶采集器檢測擊中信號，經信號處理電路后計算彈著點的環數和方位時區信息，并通過無線傳感器網絡將數據發送至射手報靶顯示終端，射手報靶顯示終端對命中數據進行本地存儲、可視化命中顯示和語音報靶。

2 胸環靶板設計

胸環靶板作為整個報靶系統的核心部件之一，其結構組成直接影響能否準確檢測到命中信息。根據目前公安、部隊相關戰術和考核訓練的需求，胸環靶板需要同時實現射擊胸環和射擊方位的同時報靶。

2.1 靶板總體布局

本系統特制的胸環靶板采用多層貼裝的方式，如圖2所示，一共有9層，包括5個絕緣層和4個導電層，層與層之間通過粘合劑粘貼，粘貼時采用工裝定位，保證粘貼時前后對齊，胸環圖樣絲網印刷在第一絕緣層的外表面。其中絕緣層采用高彈性、高恢復性的絕緣橡膠板，導電層采用高導電、高彈性和高恢復性的導電橡膠。

圖2 靶板多層結構布局圖

該胸環靶板需滿足常規槍械射擊，如92手槍、95步槍等，該槍械的彈頭尺寸長度一般在15～25 mm之間，彈速400～800 m/s，2個導電層之間的絕緣層厚度決定了有效導通時間，時間太短會影響后續電路信號采集，根據常規導電鋁箔靶板的設計經驗，絕緣層厚度一般不超過5 mm。胸環靶板需要對子彈的擊中信號進行獨立的環數檢測和方位檢測，2種檢測中間的第三絕緣層厚度不能小于彈頭有效長度。同等力學性能的導電橡膠材料的導電層厚度越大，靶板耐彈量越高，考慮靶板的質量、工藝性及經濟性，厚度選擇3 mm。表1為胸環靶各層的厚度值。

表1 胸環靶各層厚度值

2.2 環數導電層

環數導電層分為環數正導電層和環數負導電層，用于檢測彈著點的環數信息。根據胸環圖案合理鋪設導電橡膠塊，如圖3和圖4所示。

圖3 環數正導電層布局

圖4 環數負導電層布局

每個環數鋪設形狀由環數圖案和導引線組成，2個臨近環數之間采用橡膠絕緣帶隔離，其中正導電層所有引線位于靶面左側，負導電層所有引線對稱位于靶面右側。由于導引線與其他環數之間存在空間重疊，導引線采用高導電、高恢復特性的薄膜材料和絕緣橡膠片雙層鋪設方式，寬度為2 cm，總厚度為2 mm。當子彈穿過時，通過信號采集電路實時檢測2層導引線之間的導通情況來判斷當前的命中環數。

2.3 方位導電層

方位導電層分為方位正導電層和方位負導電層，用于檢測彈著點的方位信息。方位的正負導電層采用同樣的布局設計，如圖5所示。將彈點方位信息分為12個時區，在方位導電層上的每個時區鋪設導電橡膠塊，導電橡膠塊通過導引線連接到靶板下方區域，由于各時區之間不存在空間重疊，導引線采用單獨高導電、高恢復特性的薄膜材料，相鄰時區之間采用橡膠絕緣帶隔離；當子彈穿過時，通過信號采集電路實時監測方位正導電層各時區與方位負導電層各時區之間的導通情況來判斷彈著點的方位信息。

圖5 方位導電層布局

3 報靶采集終端設計

3.1 采集終端總體框架

報靶采集器總體方案如圖6所示，主要功能模塊包括主處理器模塊、信號處理模塊、存儲模塊、數據收發模塊、電量檢測模塊、軟開關模塊、調試配置模塊和供電模塊。

圖6 報靶采集終端總體框架圖

主處理器模塊基于STM32F407VET6設計，該處理器具有豐富的外設資源，時鐘頻率可達168 MHz，滿足對信號采集的要求。

信號處理模塊基于一系列三極管、與門和鎖存器器件搭建，可以實時檢測彈點的命中信號，以I/O口形式與主處理器相連。

存儲模塊選用串行Flash存儲芯片W25Q128，SPI通信模式，標準SPI通信支持時鐘頻率高達104 MHz，存儲空間可達128 MB，用于報靶采集器相關參數配置和彈點的本地存儲，相關參數包括靶道號、設備地址和通信速率等。

數據收發模塊選用有人科技的串口轉WIFI模塊USR-WIFI232-B2，工業級WIFI模塊，簡單設置后即可實現串口與WIFI之間的雙向透傳。

供電單元選用12 V內嵌式鋰電池，通過線性穩壓芯片LM2576轉化為5 V和3.3 V，通過升壓芯片NCP1403將5 V升壓至標準的12 V供信號采集電路使用。

電量采集模塊用于實時監測電池電量信息，配合軟開關模塊可實現低電量自動關機功能。

調試配置模塊配合用戶參數配置軟件，可實現報靶器內部相關參數的配置，包括靶道號、設備地址和通信速率等。

信號處理模塊作為整個報靶器的核心模塊，根據胸環靶板導電層的布局結構來設計信號處理電路，下面重點介紹信號處理模塊。

3.2 信號處理模塊設計

根據胸環靶板導電層設計結構，正負導電層各有N個檢測點位，信號電路需要采集正負導電層點位的導通關系來確定彈著點的環數和方位信息。該檢測原理與矩陣輸入檢測相似，以環數導電層檢測為例，如圖7所示。處于對角線的連接點對應具體的環數信息，由于環數導引線與其他環數存在空間重疊，矩形上的其他連接點也會被檢測到，需要軟件去做過濾。

圖7 環數矩形檢測原理圖

根據矩形檢測原理，本文在設計信號采集電路時，將正導電層的N個點位設計為NPN連接方式，負導電層的N個點位設計為PNP連接方式，一旦正負導電層的某2個點位通過子彈連通，則觸發相應的MCU對應的引腳電平變化。NPN信號檢測點電路和PNP信號檢測點電路如圖8和圖9所示。RP1連接正導電層導引線，LP1連接負導電層導引線，一旦子彈穿過2個點瞬間，PNP電路的12 V電源信號經過R1和R7分壓，NPN的輸入電壓提升至4 V左右，V4打開，HCRP1信號由默認的拉高變成拉低，PNP的輸入電壓和NPN一致，R1端的壓差為8 V左右，V1打開，12 V信號經過R3接到V2輸入，V2打開，HCPL1信號由默認的拉高變成拉低。

圖8 NPN信號檢測點原理圖

圖9 PNP信號檢測點原理圖

由于正負導電層之間的間隙是一致的，在子彈穿透靶板靶板有效區域時，必定會在1個或多個導電層的導引信號輸入從高電平變成低電平，以正導電層為例，將所有NPN處理后的信號接入到與門電路和鎖存電路，如圖10和圖11所示。與門電路的輸出TRIG作為單片機信號檢測的觸發點，一旦檢測到與門輸出為低電平，單片機控制鎖存器的使能引腳，采集當前時刻所有信號的高低電平，尋找矩陣檢測的對角輸入來獲得當前的環數信息，若存在2 個環數信息，按照報高環數的原則。

圖10 信號與門處理電路圖

圖11 信號鎖存電路圖

方位層檢測與環數層檢測原理一致，這里不再贅述。

4 報靶顯示終端設計

報靶顯示終端供射手端查看射擊成績，通過無線模塊接收來自報靶采集器的彈點數據。該終端在三防儀器儀表箱基礎上進行改造，采用翻蓋式設計，上蓋內嵌可觸摸屏幕，下箱體放置控制電路板、電池、語音播報模塊、通信模塊，整體達到IP67防護等級，滿足野外惡劣條件下射擊訓練要求。整體系統框架如圖12所示，主要包括主處理器模塊、語音播報模塊、觸摸屏模塊、軟開關模塊、調試配置模塊、WIFI通信模塊、電量檢測模塊、數據存儲模塊、程序升級模塊和供電模塊。

圖12 報靶顯示終端系統框架圖

其中主處理器模塊、軟開關模塊、調試配置模塊、WIFI通信模塊、電量檢測模塊、數據存儲模塊和供電模塊與報靶采集終端選型基本一致，這里不再贅述，下面重點闡述下語音模塊和觸摸屏模塊。

語音模塊用于報靶語音輸出，提醒射手當前的命中信息，選用內嵌的串口語音模塊搭配2個5 Ω、-2 W的喇叭，音量可達80 dB，滿足野外訓練聲音傳輸需求。

觸摸屏模塊用于可視化展示彈點信息，選用10.1 in串口觸摸屏，支持彈點緩存、動態回放等功能。

5 報靶測試驗證

本文根據上述技術方案設計了原理樣機，圖13所示為導電胸環方位靶，圖14所示為報靶顯示終端。

圖13 胸環方位靶板

圖14 射手報靶顯示終端

在浙江某公安局靶場搭建調試環境并進行多輪實彈測試，靶面受彈圖片和實際報靶顯示終端彈著點如圖15和圖16所示，報靶準確率為100%。顯示界面中的彈著點并非彈點真實位置，它是由彈點對應環數和時區計算得到的中心位置。

圖15 靶面彈點分布圖

圖16 射手顯示終端彈點顯示圖

6 結語

本文提出一種基于導電橡膠的胸環方位靶自動報靶技術，可以實現彈著點環數和方位的精確判定。

1）設計一種基于導電橡膠的多層胸環靶板，分為環數導電層和方位導電層，通過合理布設導電橡膠塊和絕緣塊，完成整個靶板的設計。

2）根據胸環靶板導電層的布局結構來設計信號處理電路，通過采集正負導電層導引線點位的導通關系來確定彈著點的環數和方位信息。

3）設計一種射手報靶顯示終端，對彈著點數據進行本地存儲，可視化顯示命中信息和語音報靶。

4）實彈測試表明，基于導電橡膠的胸環方位靶自動報靶技術方案是可行的，報靶準確率高，具有很好的應用前景。