一种激光自动射击装置及弹着点识别方法、弹着点自动校正方法

摘要

本发明公开了一种激光自动射击装置及弹着点识别方法、弹着点自动校正方法，所述激光自动射击装置包括自动射击控制系统和弹着点自动识别系统，所述自动射击控制系统包括：无线模块一、矩阵键盘、与矩阵键盘连接并受其控制的单片机、与单片机连接并受其控制的伺服电机控制台，及位于伺服电机控制台之上的激光枪等。所述弹着点识别方法基于像素的灰度值，采取组组间不相邻识别方法。所述弹着点自动校正方法，伺服电机控制台根据弹着点坐标与目标坐标的差值而进行调整，以修正射击偏差。所述激光自动射击装置花费小，危险低，客观性强，精度高，采用基于像素灰度值的组组间不相邻识别方法来确定弹着点，该方法更加精准高效，其精度达到0.88％。

说明书

技术领域

本发明涉及激光射击领域，具体是一种激光自动射击装置及弹着点识别方法、弹着点自动校正方法。

背景技术

弹着点识别，现有的技术，采用光电二极管阵列来识别弹着点，该技术落后，弹着点识别精度不高、识别不够稳定性。也有采用PSD(PositionSensitiveDetector)作为传感器，来识别弹着点，PSD是一种连续的模拟式光斑位置检测器件，其原理是利用光照下光电二极管表面阻抗的变化来检测光斑位置。这种方法易受环境光线影响，其识别弹着点的精度仅仅为1％。目前市场上的激光射击装置，还不能实现全自动化，有的仅仅能实现自动射击；有的能够实现自动识别、自动报靶，但在激光发射端和弹着点识别端进行通信之间不能通信；有的能够在激光发射端和弹着点识别端进行通信，通信的目的仅仅是为了在激光发射端的显示屏上显示弹着点位置，还不能够把识别的弹着点信息，传给发射端，来调整射击精度。

通常的数据传输方式是有线方式，如激光发射端和弹着点识别端间的通过有线进行通信。

自动瞄准、自动射击、弹着点自动识别、自动报靶、自动显示、自动通信及自动调整射击精度都能够实现的激光射击识别装置，还没有。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种激光自动射击装置、弹着点识别方法及弹着点自动校正方法。

一种激光自动射击装置，包括自动射击控制系统和弹着点自动识别系统，所述自动射击控制系统包括：无线模块一、矩阵键盘、与矩阵键盘连接并受其控制的单片机、与单片机连接并受其控制的伺服电机控制台，及位于伺服电机控制台之上的激光枪；

所述伺服电机控制台包括基座、第一角度伺服电机、第二角度伺服电机、水平伺服电机支架、垂直伺服电机支架、U型架、第一伺服转盘、第二伺服转盘和法兰杯式轴承，所述第一角度伺服电机固定在水平伺服电机支架上，第一角度伺服电机的输出轴与第一伺服转盘过盈配合连接，第一伺服转盘固定在基座上，当第一角度伺服电机转动时，实现激光枪在水平轴上的角度调整；垂直伺服电机支架固定在水平伺服电机支架上，所述第二角度伺服电机固定在垂直伺服电机支架上，第二角度伺服电机的输出轴与第二伺服转盘过盈配合连接，第二角度伺服电机的输出轴与第一角度伺服电机的输出轴在安装位置保持垂直，当第二角度伺服电机转动时，实现激光枪在垂直轴上的角度调整；所述U型架的一端固定在第二伺服转盘上，另一端固定在垂直伺服电机支架上，法兰杯式轴承安装在U型架与垂直伺服电机支架固定端的通孔处。

所述弹着点自动识别系统以单片机为控制核心并包括：

摄像头；无线模块二，与无线模块一之间进行无线通信；

弹着点的方位自动识别电路，能够自动识别激光投射在胸环靶上的弹着点的方位信息；

弹着点的环数自动识别电路，能够自动识别激光投射在胸环靶上的弹着点的环数信息。

优选的，自动射击控制系统还包括液晶显示模块，用来报靶，包括显示胸环靶、弹着点的环数、弹着点的方位。

优选的，所述激光枪包括顺次连接的激光调制管、激光发射管驱动电路、激光发射管和电磁继电器；自动射击控制系统送一控制信号给电磁继电器，使得电磁继电器常开触点闭合，连通激光发射管驱动电路，发射激光束到胸环靶上。

一种激光自动射击弹着点识别方法，它基于像素的灰度值，采取组组间不相邻识别方法：把胸环靶图像划分成不同的区域，每个区域是由相邻的2行3列的6个像素点构成，每个区域间不相邻；把这些区域进行相互比较，当中间区域的6个像素点的灰度值之和大于其左、右、上、下四个区域的6个像素点的灰度值之和，则判断该点为弹着点。

优选的，每个区域间有3个像素点间隔。

优选的，依据弹着点与胸环靶中心的距离，判断弹着点的环数：

设中心坐标为(m,n)，弹着点坐标为(a,b)，则弹着点与胸环靶中心的距离S：

S＝sqrt((a-m)*(a-m)+(b-n)*(b-n))

若S<＝3：则为10环；

若3<S<＝6：则为9环；

若6<S<＝9：则为8环；

若9<S<＝12：则为7环；

若12<S<＝15：则为6环；

若15<S<＝19：则为5环。

弹着点的环数自动识别程序依据以上规则通过常规编程方法编写。

优选的，依据弹着点坐标，判断弹着点的方位：

设中心坐标为(m,n)，弹着点坐标为(a,b)，则弹着点所处的方位：

if((a>(m-3)&&a<(m+3))&&b>(n+3))，弹着点位于正北方；

if(a<(m-3)&&b>(n+3))，弹着点位于西北方；

if(a<(m-3)&&(b>(n-3)&&b<(n+3)))，弹着点位于正西方；

if(a<(m-3)&&b<(n-3))，弹着点位于西南方；

if((a>(m-3)&&a<(m+3))&&b<(n-3))，弹着点位于正南方；

if(a>(m+3)&&b>(n+3))，弹着点位于东北方；

if(a>(m+3)&&(b>(n-3)&&b<(n+3)))，弹着点位于正东方；

if(a>(m+3)&&b<(n-3))，弹着点位于东南方。

弹着点的方位自动识别程序依据以上规则通过常规编程方法编写。

一种弹着点自动校正方法：首先，自动射击控制系统控制伺服电机控制台做二维运动，实现自动瞄准靶心，靶心坐标为(m,n)，进而控制激光自动发射激光束到胸环靶上；弹着点自动识别系统自动识别胸环靶上的弹着点,识别弹着点坐标为(e,f)，并通过无线模块把弹着点数据传回给自动射击控制系统，自动射击控制系统通过控制伺服电机控制台做二维运动，修正激光枪的发射角度，使得实现击中胸环靶靶心；

然后，根据射击方位要求(若没有要求，就往正北方向射击)，通过控制伺服电机控制台做二维运动，来控制激光枪移动方向(上、下、左、右)，进而控制弹着点移动方向；

最后，根据当前弹着点坐标(a,b)(由弹着点自动识别系统获得)，求出目标射击环数所在的位置(p,q)与当前弹着点所在的坐标(a,b)的距离通过控制伺服电机控制台做二维运动，来减小这个距离，直到两者吻合为止。

本发明的有益效果：

本发明的激光自动射击及弹着点识别的方法，实现了整个射击和识别过程全自动化：激光枪自动瞄准、激光枪自动射击、弹着点自动识别、自动无线通信、自动报靶、自动显示及自动调整射击精度。

该系统采用先进的嵌入式系统作为控制核心，系统分为自动射击控制系统和弹着点自动识别系统两部分。其中自动射击控制系统以单片机(优选为STM32F103VE)为控制核心，该系统主要包括电源模块、控制用单片机、激光枪、伺服电机控制台、矩阵键盘、无线模块一和液晶显示模块；弹着点自动识别系统以单片机(优选为MC9S12XS128)为控制核心，该系统主要包括电源部分、无线模块二、摄像头、弹着点的方位自动识别电路和弹着点的环数自动识别电路。激光枪是由激光发射管、激光发射管驱动电路、激光调制管和电磁继电器四部分构成。自动射击控制系统控制伺服电机控制台做二维运动，实现自动瞄准，进而控制激光枪自动发射激光束到胸环靶上；弹着点自动识别系统通过摄像头自动识别激光投射在胸环靶上弹着点的位置，通过无线模块把位置信息无线传递给自动射击控制系统，自动射击控制系统通过控制伺服电机控制台的移动来消除射击偏差，以保证激光枪准确射击到目标位置。这个系统有许多优势，例如，花费小，危险低，客观性强，精度高，识别稳定等。

利用图形点阵显示器(例如液晶显示器12864)自动显示弹着点的环数、方位信息以及胸环靶的图形。弹着点的图像识别，先取图像的奇场或偶场，再经过二值化处理、差分及滤波，最后采用基于像素灰度值的组组间不相邻识别方法来确定弹着点，该方法更加精准高效，其精度达到0.88％。

本装置及弹着点识别方法、校正方法具有重要的民用、军事、地区意义。

民用方面：通过对本激光枪自动射击装置的改进，可应用在游戏厅射击打靶、儿童射击玩具、真人CS枪战游戏等娱乐场所中，与已经有的同类产品相比，具有更高的射击精度，可提高参与者的乐趣、成就感和满足感。用科技造福民众，同时也能促进国家经济的发展。

军事方面：用激光射击系统模拟实弹射击，节省了弹药的同时又能提高训练的安全性并获得实弹射击同样的效果，大大提高战士们的实战水平。利用模拟实弹激光打靶训练器可以解决射击场地保障困难，阴雨天难以展开实弹射击以及射击状况的实时显示等问题。对国防建设现代化，军事训练智能化，提高部队整体素质以及节约国防开支都具有重要意义。

地区方面：“十二五”期间，根据国家战略布局，“中国激光与光电产业集群”落户温州，“中国(温州)激光与光电产业集群”是国家打造的20个千亿级别的国家级创新型产业集群示范工程之一，本项目正是在这样的背景下应运而生的，致力于将激光技术与温州的传统产业相结合，促进温州传统行业转型升级，提高产品的竞争力，为区域经济发展做出自己的贡献。

附图说明

图1为本发明一种激光自动射击装置的结构框图；

图2为本发明伺服电机控制台的结构框图；

图3为本发明组组间不相邻识别模式图；

图4为对比实验中组组间相邻识别模式图；

图5为对比实验中组组间交错识别模式图。

图6为弹着点方位识别示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：

实施例1，结合图1和图2，一种激光自动射击装置，包括自动射击控制系统和弹着点自动识别系统，所述自动射击控制系统包括：

无线模块一、矩阵键盘、与矩阵键盘连接并受其控制的单片机、与单片机连接并受其控制的伺服电机控制台，及位于伺服电机控制台之上的激光枪；

所述伺服电机控制台包括基座、第一角度伺服电机、第二角度伺服电机、水平伺服电机支架、垂直伺服电机支架、U型架、第一伺服转盘、第二伺服转盘和法兰杯式轴承，所述第一角度伺服电机固定在水平伺服电机支架上，第一角度伺服电机的输出轴与第一伺服转盘过盈配合连接，第一伺服转盘固定在基座上，当第一角度伺服电机转动时，实现激光枪在水平轴上的角度调整；垂直伺服电机支架固定在水平伺服电机支架上，所述第二角度伺服电机固定在垂直伺服电机支架上，第二角度伺服电机的输出轴与第二伺服转盘过盈配合连接，第二角度伺服电机的输出轴与第一角度伺服电机的输出轴在安装位置保持垂直，当第二角度伺服电机转动时，实现激光枪在垂直轴上的角度调整；所述U型架的一端固定在第二伺服转盘上，另一端固定在垂直伺服电机支架上，法兰杯式轴承安装在U型架与垂直伺服电机支架固定端的通孔处；

所述弹着点自动识别系统以单片机为控制核心并包括：

摄像头；

无线模块二，与无线模块一之间进行无线通信；

弹着点的方位自动识别电路，能够自动识别激光投射在胸环靶上的弹着点的方位信息；

弹着点的环数自动识别电路，能够自动识别激光投射在胸环靶上的弹着点的环数信息。

实施例2：如实施例1所述的一种激光自动射击装置，自动射击控制系统还包括液晶显示模块，用来报靶，包括显示胸环靶、弹着点的环数、弹着点的方位。

实施例3：如实施例1所述的一种激光自动射击装置，所述激光枪包括顺次连接的激光调制管、激光发射管驱动电路、激光发射管和电磁继电器；自动射击控制系统送一控制信号给电磁继电器，使得电磁继电器常开触点闭合，连通激光发射管驱动电路，发射激光束到胸环靶上。

实施例4：一种激光自动射击弹着点识别方法，它基于像素的灰度值，采取组组间不相邻识别方法：把胸环靶图像划分成不同的区域，每个区域是由相邻的2行3列的6个像素点构成，每个区域间不相邻；把这些区域进行相互比较，当中间区域的6个像素点的灰度值之和大于其左、右、上、下四个区域的6个像素点的灰度值之和，则判断该点为弹着点。

实施例5：如实施例4所述的一种激光自动射击弹着点识别方法，每个区域间有3个像素点间隔。

实施例6：如实施例5所述的一种激光自动射击弹着点识别方法，依据弹着点与胸环靶中心的距离，判断弹着点的环数：

设中心坐标为(m,n)，弹着点坐标为(a,b)，则弹着点与胸环靶中心的距离S：

S＝sqrt((a-m)*(a-m)+(b-n)*(b-n))

若S<＝3：则为10环；

若3<S<＝6：则为9环；

若6<S<＝9：则为8环；

若9<S<＝12：则为7环；

若12<S<＝15：则为6环；

若15<S<＝19：则为5环。

实施例7：如实施例5所述的一种激光自动射击弹着点识别方法，依据弹着点坐标，判断弹着点的方位：

设中心坐标为(m,n)，弹着点坐标为(a,b)，则弹着点所处的方位：

if((a>(m-3)&&a<(m+3))&&b>(n+3))，采集的点位于正北方；

if(a<(m-3)&&b>(n+3))，采集的点位于西北方；

if(a<(m-3)&&(b>(n-3)&&b<(n+3)))，采集的点位于正西方；

if(a<(m-3)&&b<(n-3))，采集的点位于西南方；

if((a>(m-3)&&a<(m+3))&&b<(n-3))，采集的点位于正南方；

if(a>(m+3)&&b>(n+3))，采集的点位于东北方；

if(a>(m+3)&&(b>(n-3)&&b<(n+3)))，采集的点位于正东方；

if(a>(m+3)&&b<(n-3))，采集的点位于东南方。

实施例8：一种激光自动射击弹着点自动校正方法，详细的校正射击偏差方案：

第1步，自动射击控制系统控制伺服电机控制台做二维运动，实现自动瞄准靶心，进而控制激光枪自动发射激光束到胸环靶上。弹着点自动识别系统自动识别胸环靶上的弹着点,识别弹着点坐标为(e,f)，并通过无线模块把弹着点数据传回给自动射击控制系统，自动射击控制系统通过控制伺服电机控制台做二维运动，修正激光枪的发射角度，使得$>\sqrt{{(e-m)}^2+{(f-n)}^2}=0,$>实现击中胸环靶靶心。

第2步，根据射击方位要求(若没有要求，就往正北方向射击)，通过控制伺服电机控制台做二维运动，来控制激光枪移动方向(上、下、左、右)，进而控制弹着点移动方向。

第3步，根据当前弹着点坐标(a,b)(由弹着点自动识别系统获得)，求出目标射击环数所在的位置(p,q)与当前弹着点所在的坐标(a,b)的距离通过控制伺服电机控制台做二维运动，来减小这个距离。直到两者吻合为止。

结合图6，要求射击胸环靶正上方6环的位置，若中心坐标为(50,50)，弹着点坐标为(a,b)。则：

第1步，

自动射击控制系统控制伺服电机控制台做二维运动，实现自动瞄准靶心，进而控制激光枪自动发射激光束到胸环靶上。弹着点自动识别系统自动识别胸环靶上的弹着点,识别弹着点坐标为(e,f)，并通过无线模块把弹着点数据传回给自动射击控制系统，自动射击控制系统通过控制伺服电机控制台做二维运动，修正激光枪的发射角度，使得$>\sqrt{{(e-50)}^2+{(f-50)}^2}=0,$>实现击中胸环靶靶心。

第2步，控制激光枪向上移动。

第3步，根据当前弹着点坐标(a,b)(由弹着点自动识别系统获得)，求出目标射击位置(0,10)与当前弹着点所在的坐标(a,b)的距离通过控制伺服电机控制台做二维运动，来减小这个距离。直到两者吻合为止。

本发明基于像素的灰度值，提出了一种激光自动射击弹着点识别方法(采取组组间不相邻识别)，结合图3，把胸环靶图像划分成不同的区域，每个区域是由相邻的6个像素点构成，把这些区域进行相互比较，当中间区域的6个像素点的灰度值之和大于其左、右、上、下四个区域的6个像素点的灰度值之和，则判断该点为弹着点。

分别取a、b、c、d、e五个区域，计算这五个区域的灰度值的和。

asum＝Buffer[i-1][j]+Buffer[i][j]+Buffer[i-1][j-1]+Buffer[i][j-1]+Buffer[i-1][j-2]+Buffer[i][j-2]；

bsum＝Buffer[i-6][j]+Buffer[i-5][j]+Buffer[i-6][j-1]+Buffer[i-5][j-1]+Buffer[i-6][j-2]+Buffer[i-5][j-2]；

csum＝Buffer[i+4][j]+Buffer[i+5][j]+Buffer[i+4][j-1]+Buffer[i+5][j-1]+Buffer[i+4][j-2]+Buffer[i+5][j-2]；

dsum＝Buffer[i-1][j-6]+Buffer[i][j-6]+Buffer[i-1][j-7]+Buffer[i][j-7]+Buffer[i-1][j-8]+Buffer[i][j-8]；

esum＝Buffer[i-1][j+6]+Buffer[i][j+6]+Buffer[i-1][j+5]+Buffer[i][j+5]+Buffer[i-1][j+4]+Buffer[i][j+4]；

其中，Buffer[i][j]保存第[i][j]像素点的灰度值。

若asum>bsum&&asum>csum&&asum>dsum&&asum>esum,则判断坐标为[i][j]的点为弹着点。

若中心坐标为(50,50)，弹着点坐标为(a,b)，则弹着点与胸环靶中心的距离：

S＝sqrt((a-50)*(a-50)+(b-50)*(b-50))

若S<＝3：则为10环；

若3<S<＝6：则为9环；

若6<S<＝9：则为8环；

若9<S<＝12：则为7环；

若12<S<＝15：则为6环；

若15<S<＝19：则为5环。

结合图3-图5，现对该方法与其它识别方法(组组间相邻识别、组组间交错识别)进行识别效果的对比分析，识别模式表如表1：

表1识别模式表

通过实验，获得组组间不相邻识别的数据表，如表2：

表2组组间不相邻模式数据表

实验结果：其能够准确的识别弹着点，稳定性好。

通过实验，获得组组间相邻识别的数据表，如表3：

表3组组间相邻模式数据表

实验结果：其能较准确地识别弹着点，但稳定性不够。

通过实验，获得组组间交错识别的数据表，如表4：

表4：组组间交错模式数据表

实验结果：其不能识别弹着点。

通过比较以上3个实验，可以看出，组组间不相邻识别方案，可以准确、稳定地识别弹着点，其精度达到0.88％，这是最佳方案。

本装置及弹着点识别方法、校正方法具有重要的民用、军事、地区意义。

民用方面：通过对本激光枪自动射击装置的改进，可应用在游戏厅射击打靶、儿童射击玩具、真人CS枪战游戏等娱乐场所中，与已经有的同类产品相比，具有更高的射击精度，可提高参与者的乐趣、成就感和满足感。用科技造福民众，同时也能促进国家经济的发展。

军事方面：用激光射击系统模拟实弹射击，节省了弹药的同时又能提高训练的安全性并获得实弹射击同样的效果，大大提高战士们的实战水平。利用模拟实弹激光打靶训练器可以解决射击场地保障困难，阴雨天难以展开实弹射击以及射击状况的实时显示等问题。对国防建设现代化，军事训练智能化，提高部队整体素质以及节约国防开支都具有重要意义。

地区方面：“十二五”期间，根据国家战略布局，“中国激光与光电产业集群”落户温州，“中国(温州)激光与光电产业集群”是国家打造的20个千亿级别的国家级创新型产业集群示范工程之一，本项目正是在这样的背景下应运而生的，致力于将激光技术与温州的传统产业相结合，促进温州传统行业转型升级，提高产品的竞争力，为区域经济发展做出自己的贡献。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。