徐濤 馮鵬程 晁國勝

摘 ?要：針對目前警用或軍用輕武器射擊訓(xùn)練中缺少智能移動靶的現(xiàn)狀，結(jié)合實戰(zhàn)化需求確定載運(yùn)平臺、靶標(biāo)和整體系統(tǒng)的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo);基于機(jī)器人操作系統(tǒng)，以機(jī)械設(shè)計思路設(shè)計了移動靶的升降和起倒功能;以系統(tǒng)控制設(shè)計思路設(shè)計了遠(yuǎn)程控制和智能控制功能。通過基于光固化的3D打印進(jìn)行模型制作，驗證了設(shè)計可行性。為輕武器射擊實戰(zhàn)化訓(xùn)練裝備的研發(fā)提供了新的思路和方法參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人操作系統(tǒng);智能移動靶;3D打印;實戰(zhàn)化訓(xùn)練

中圖分類號：TP242 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）06-0001-05

Design and Implementation of Intelligent Moving Target Based on ROS

XU Tao1，F(xiàn)ENG Pengcheng1，CHAO Guosheng2

（1.Logistics University of Peoples Armed Police Force，Tianjin ?300309，China;

2.Luohe Branch Henan Corps of PAP，Luohe ?462001，China）

Abstract：Aiming at the current situation of lack of intelligent moving targets in the shooting training of police or military light weapons at present，combined with the actual combat requirements，the technical and tactical indicators of the carrier platform，target and the overall system are determined. Based on the robot operating system，the lifting and falling functions of the moving target are designed according to the mechanical design idea. The functions of remote control and intelligent control are designed according to the system control design idea. The feasibility of the design is verified by the model making of 3D printing based on photocuring. It provides a new idea and method reference for the research and development of actual combat training equipments for light arms shooting.

Keywords：ROS;intelligent moving target;3D printing;actual combat training

0 ?引 ?言

智能化、網(wǎng)聯(lián)化載運(yùn)工具方興未艾，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸深入。在以重武器為主要作戰(zhàn)裝備的部隊中，訓(xùn)練可以使用例如無人靶機(jī)、無人靶車和無人靶船等裝備作為打擊目標(biāo)，實戰(zhàn)能力得以大幅提高。但是以輕武器為主要作戰(zhàn)裝備的部隊，在射擊訓(xùn)練中缺少無人智能化射擊靶。尤其是近年來，部隊對于反恐和巷戰(zhàn)訓(xùn)練需求增多，“絕對快、相對準(zhǔn)”的射擊理念逐漸深入，對仿人運(yùn)動靶的需求增大。本題選擇設(shè)計一款智能網(wǎng)聯(lián)的實戰(zhàn)化移動靶，將智能技術(shù)融入射擊靶，使其能夠模擬真人運(yùn)動特點(diǎn)，有效鍛煉射擊人員的快速反應(yīng)能力，提升實戰(zhàn)化訓(xùn)練水平，提高部隊?wèi)?zhàn)斗力。

1 ?移動靶戰(zhàn)（技）指標(biāo)需求

在軍事領(lǐng)域，機(jī)動主要指兵力或武器裝備轉(zhuǎn)移至目標(biāo)地域;對通用車輛，機(jī)動性主要指車輛在最小面積內(nèi)轉(zhuǎn)彎、轉(zhuǎn)向和掉頭的能力。本文借鑒軍事領(lǐng)域機(jī)動性的主要影響因素，綜合車輛的動力性、操作性和通過性指標(biāo)，提出智能移動靶機(jī)動性能指標(biāo)需求分析，主要包括最高速度、加速能力、轉(zhuǎn)向能力和越障能力等性能指標(biāo)。

智能移動靶需要具有以下能力：（1）運(yùn)動平臺擁有良好的機(jī)動性能;（2）靶標(biāo)能夠起倒、升降;（3）具有遙控和一定的無人駕駛能力。智能移動靶指標(biāo)需求匯總?cè)绫?所示。

2 ?移動靶車設(shè)計

2.1 ?機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 ?運(yùn)動機(jī)構(gòu)

移動、變速、轉(zhuǎn)向功能為智能移動靶的運(yùn)動功能，主要包括輪式、履帶式、腿式。每種方式都有各自的特點(diǎn)，適合不同設(shè)備需求和應(yīng)用場景。各個方式的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示[1]。

雖然本課題是設(shè)計一款仿人運(yùn)動的智能移動靶，但是由于腿式移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)門檻高，成本較高，所以放棄腿式機(jī)構(gòu)。又根據(jù)需求選擇電力驅(qū)動，履帶式結(jié)構(gòu)耗能較高，電力續(xù)航時間短，所以最終選擇技術(shù)條件成熟，運(yùn)行穩(wěn)定的輪式移動機(jī)構(gòu)。為提升輪式運(yùn)動機(jī)構(gòu)的越障能力和機(jī)動性能，智能移動靶選擇四輪差分驅(qū)動，每個輪均有驅(qū)動電機(jī)。為使其具有人體原地轉(zhuǎn)向能力，選擇差速轉(zhuǎn)向，即轉(zhuǎn)向角為0°。

運(yùn)動機(jī)構(gòu)是模仿人體行走或跑步的機(jī)構(gòu)，是智能移動靶中控制運(yùn)動的部分，包括底盤部分和運(yùn)動控制箱部分。底盤部分主要功能是輸出動力，驅(qū)動整個系統(tǒng)運(yùn)動;運(yùn)動控制箱部分功能主要是連接、支承和防護(hù)：連接底盤和上部升降起倒機(jī)構(gòu)，支承整個系統(tǒng)并為其提供一定的防護(hù)，如圖1所示。

2.1.2 ?起倒機(jī)構(gòu)

升降、起倒為靶標(biāo)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行功能，為簡化設(shè)計，本課題將升降功能整合到市場上現(xiàn)有比較成熟的起倒靶機(jī)上。起倒機(jī)構(gòu)設(shè)計的主要在于傳動，傳動方式主要有螺旋傳動、摩擦傳動、帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動等方式。各種傳動方式的特點(diǎn)總結(jié)如表3所示。起倒機(jī)構(gòu)所處空間較小，并且要求傳動穩(wěn)定，正反轉(zhuǎn)向順暢，因此選用齒輪式傳動。

起倒機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)靶標(biāo)（靶面+靶桿）俯仰起倒的機(jī)構(gòu)。機(jī)械傳動式起倒靶需要電機(jī)產(chǎn)生動力，傳動部分傳遞或轉(zhuǎn)化動力，起倒桿輸出起倒轉(zhuǎn)矩。起倒機(jī)構(gòu)整體效果如圖2所示。

2.1.3 ?升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)有剪式升降、鏈條式升降、絲杠式升降、鋼絲繩式升降等四種[2]，各種升降的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表4所示[3]。根據(jù)需求分析，靶標(biāo)在約1 s內(nèi)完成一個升降周期，即1 s內(nèi)20 cm升降，對升降機(jī)構(gòu)的速度要求較高，并且起倒靶空間有限，因此選用齒輪齒條式升降機(jī)構(gòu)。

升降機(jī)構(gòu)是通過鏈傳動使靶面上下運(yùn)動，達(dá)到模仿人體在運(yùn)動過程中重心起伏目的的機(jī)構(gòu)。升降功能的實現(xiàn)是在靶桿部分進(jìn)行改造，將小型鏈輪和鏈條整合至靶面兩側(cè)的靶桿內(nèi)，通過底部電機(jī)驅(qū)動鏈輪帶動靶面升降運(yùn)動。通過SolidWorks進(jìn)行3D建模，升降機(jī)構(gòu)整體概念圖如圖3所示。

2.1.4 ?智能移動靶整體效果

綜上設(shè)計分析，智能移動靶整體效果如圖4所示。需要注意的是此為初步設(shè)計方案，后續(xù)在控制部分設(shè)計、樣車試制和功能測試過程中發(fā)現(xiàn)不合理之處需要隨時進(jìn)行調(diào)整。

2.2 ?ROS控制系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS）是用于編寫機(jī)器人軟件程序的一種具有高度靈活性的軟件架構(gòu)。它提供了操作系統(tǒng)應(yīng)有的服務(wù)，包括硬件抽象，底層設(shè)備控制，常用函數(shù)的實現(xiàn)，進(jìn)程間消息傳遞以及數(shù)據(jù)包管理。它也提供用于獲取、編譯、編寫和跨計算機(jī)運(yùn)行代碼所需的工具和庫函數(shù)，相當(dāng)于一種“機(jī)器人框架”[4]。智能移動靶的操作系統(tǒng)安裝在機(jī)載樹莓派上，樹莓派是一種使用ARM架構(gòu)的Linux系統(tǒng)的卡片式電腦。選用STM32單片機(jī)作為驅(qū)動板驅(qū)動電機(jī)、雷達(dá)、遙控等功能模塊。

2.2.1 ?遠(yuǎn)程控制設(shè)計

目前比較成熟的遠(yuǎn)程控制技術(shù)主要有2.4 GHz無線電波、LTE、無線射頻、紅外技術(shù)。2.4 GHz無線電波在遙控領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，藍(lán)牙、Wi-Fi均是基于2.4 GHz，只是協(xié)議不同。由于智能移動靶遙控距離不小于800米，響應(yīng)速度要快，而且需要具有集群控制能力。根據(jù)綜合對比分析，基于2.4 GHz的遙控技術(shù)可以不依賴網(wǎng)絡(luò)且遙控距離較遠(yuǎn)，適合智能移動靶使用?；?.4 GHz的航模遙控器由于其遙控距離較遠(yuǎn)，成本較低，并且技術(shù)比較成熟，市場反應(yīng)較好。智能移動靶選用的遙控器和接收機(jī)分別為航模Micrzone MC6C型和MC7RB型。

Micrzone MC7RB接收機(jī)具有6通道PWM信號和SUBS信號，能滿足軍用智能移動靶的控制需要。對應(yīng)遙控器通道如圖5所示，A左右搖桿是1通道，上下方向是2通道;B搖桿上下方向是2通道，左右方向是4通道;C開關(guān)為5通道;D開關(guān)為6通道;其余按鈕和微調(diào)開關(guān)暫時不做應(yīng)用，留作后續(xù)功能開發(fā)。接收機(jī)通過杜邦線與樹莓派預(yù)留拓展GPIO口連接，由樹莓派接收并處理遙控信息。

2.2.2 ?SLAM智能駕駛

SLAM（Simultaneous Localization and Mapping）算法，即同時定位與地圖構(gòu)建，目前被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。SLAM是指機(jī)器人在未知的環(huán)境中通過自身所攜帶的內(nèi)部傳感器（編碼器、IMU等）和外部傳感器（激光傳感器或者視覺傳感器）來對自身進(jìn)行定位，并在定位的基礎(chǔ)上利用外部傳感器獲取的環(huán)境信息增量式的構(gòu)建環(huán)境地圖，實現(xiàn)機(jī)器人的自主定位和導(dǎo)航[5]，如圖6所示。

在建成的地圖上給定運(yùn)動路線，智能移動靶運(yùn)動過程中，通過里程計信息結(jié)合激光傳感器獲取的位姿信息確定當(dāng)前位置與目標(biāo)位置進(jìn)行對比，若未到達(dá)目標(biāo)位置則通過move_base進(jìn)行路徑規(guī)劃，根據(jù)規(guī)劃得到的軌跡給智能移動靶發(fā)送控制指令，向目標(biāo)位置前進(jìn)。若當(dāng)前位置與目標(biāo)位置相匹配則停止。SLAM無人駕駛原理如圖7所示。

2.2.3 ?集群控制仿真

集群控制的設(shè)計主要是為了實現(xiàn)進(jìn)行多機(jī)協(xié)同運(yùn)動，可以模擬戰(zhàn)場環(huán)境中群體性目標(biāo)的動作和反應(yīng)，能夠為小組協(xié)同作戰(zhàn)提供訓(xùn)練條件，更加具有實戰(zhàn)意義。ROS系統(tǒng)設(shè)計的靈魂在于其分布式計算，它允許實施分配計算量以最大化地利用系統(tǒng)資源。通過配置驅(qū)動節(jié)點(diǎn)和分布式網(wǎng)絡(luò)，即可實現(xiàn)多臺智能移動靶的集群控制。但是出于成本和技術(shù)層面考慮，在集群控制多機(jī)協(xié)同詳細(xì)設(shè)計時僅進(jìn)行電腦模擬仿真。軍用智能移動靶多機(jī)協(xié)同框架如圖8所示。需要一個機(jī)器上運(yùn)行master;所有節(jié)點(diǎn)即智能移動靶都必須通過配置ROS_MASTER_URI連接到同一個master;任意兩臺機(jī)器間任意兩端口都必須要有完整的、雙向連接的網(wǎng)絡(luò);每臺機(jī)器都必須向其他機(jī)器廣播其能夠解析的名字。

多機(jī)協(xié)同中，通信硬件系統(tǒng)要支持每個節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)互聯(lián)，每臺智能移動靶采用自帶的無線AP（Access Point）進(jìn)行互聯(lián)互通;對于軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，每個智能移動靶運(yùn)行的節(jié)點(diǎn)采用ROS1中心點(diǎn)的通信方式，即圖8中ROS Master是整個ROS節(jié)點(diǎn)的中心，組成一個星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這個ROS Master是和其他節(jié)點(diǎn)的通信橋梁。

如圖9所示，以pub命令給主機(jī)發(fā)布如下運(yùn)動指令，即可看到從機(jī)也按照相同軌跡運(yùn)動：

移動靶以1 m/s的速度直行時的運(yùn)動指令為：

$ rostopic pub /turtlesim1/turtle1/cmd_velgeometry_msgs/Twist -r 1 -- '[1.0， 0.0， 0.0]' '[0.0， 0.0， 0.0]'

移動靶以 m/s的速度做圓周運(yùn)動時的運(yùn)動指令為：

$ rostopic pub /turtlesim1/turtle1/cmd_velgeometry_msgs/Twist -r 1 -- '[1.0， 0.0， 0.0]' '[0.0， 0.0， 1.0]'

移動靶以1 m/s的速度直行時的運(yùn)動指令為：

$ rostopic pub /turtlesim1/turtle1/cmd_velgeometry_msgs/Twist -r 1 -- '[1.0， 0.0， 0.0]' '[0.0， 0.0， 0.0]'

3 ?模型制作與實現(xiàn)

由于條件限制，制作射擊靶的4：1比例模型。模型由機(jī)械部分由基于SLA的光固化3D打印機(jī)完成。打印過程如圖10（a）所示，標(biāo)注1處為紫外激光線束。打印成品效果如圖10（b）所示，整體零部件取出后，需要將支撐去除，用酒精將零部件表面殘留樹脂清洗干凈，用紫外線燈箱繼續(xù)照射零件一段時間使零部件進(jìn)一步干燥固化。為使表面快速干燥凝固，固化后可用砂紙將表面打磨光滑，砂紙要求600目以上。打磨后可根據(jù)需求對表面顏色進(jìn)行噴涂，軍用智能移動靶樣機(jī)選涂荒漠迷彩噴漆。

4 ?結(jié) ?論

本文針對軍警輕武器射擊訓(xùn)練中缺少智能移動靶的現(xiàn)實情況，以實戰(zhàn)化戰(zhàn)技指標(biāo)為依據(jù)，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)，從運(yùn)動機(jī)構(gòu)、起倒機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)三個方面設(shè)計了智能移動靶的機(jī)械系統(tǒng)，從遠(yuǎn)程控制、SLAM自動駕駛和集群控制仿真三個方面設(shè)計了智能移動靶的控制系統(tǒng)，最后通過3D打印制作比例模型驗證了設(shè)計的可行性。將機(jī)器人操作系統(tǒng)融入射擊靶，使其能夠模擬實戰(zhàn)環(huán)境中真人運(yùn)動特點(diǎn)，有效鍛煉射擊人員的快速反應(yīng)能力，提升實戰(zhàn)化訓(xùn)練水平。

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作者簡介：徐濤（1994.02—），男，漢族，天津人，碩士研究生在讀，研究方向：載運(yùn)工具運(yùn)用工程。