Sähköinen ampumataulu : akustinen osumakohdan mittaus luodin shokkiaallosta

Abstract

Työssä kuvataan sulautetun järjestelmän kehitysvaiheet. Työssä kehitetään järjestelmä reserviläisen käyttöön. Järjestelmä mittaa luodin osumakohdan ampumataulusta akustisesti luodin aiheuttaman shokkiaallon avulla. Järjestelmän tärkeimmät tavoitteet olivat mittaustarkkuus, halpa hinta ja liikuteltavuus. Järjestelmä lähettää osumatiedon langattomasti ampujalle radioyhteyden välityksellä. Ampujalla on käytössä HTML-pohjainen käyttöliittymä, jota voi käyttää älypuhelimella. Työ on jaettu kymmeneen lukuun, joista jokainen käsittelee oman osa-alueen sulautettujen järjestelmien suunnittelussa.

Työn alkuosa keskittyy shokkiaallon teoriaan, tehtyihin mittauksiin ja osumakohdan laskentaan. Teoriassa käsitellään ensin äänen nopeuteen ja shokkiaallon muodostumiseen vaikuttavat tekijät. Teorian loppuosa keskittyy luodin lentorataan vaikuttaviin tekijöihin. Teoria luvun tiedoilla kehitettiin osumakohdan laskentaan algoritmi ja koneoppimismalli tehtyjen mittauksien pohjalta. Seuraavan kuvataan itse sulautetun järjestelmän kehitysvaiheet. Kehitysvaiheet on jaoteltu omiin lukuihinsa. Aluksi kehitettiin elektroniikka mittauksen tekemiseen. Työn edetessä mittauslogiikka vaihdettiin FPGA-piirille paremman tarkkuuden saavuttamiseksi. Toisena kuvataan mikrokontrollerin ja siinä olevan radiolinkin toiminta. Järjestelmä käyttää Bluetooth Low Energy -yhteyttä. Seuraavana työssä on kuvattu mikrofonien kiinnityskehyksen kehitys ja sen eri versiot. Viimeisenä kehityskohtana on nettiselaimessa toimivan käyttöliittymän toteutus ja testaus. Käyttöliittymä käytti uutta internet-teknologiaa, joka mahdollistaa sen asentamisen sovelluksena älylaitteeseen.

Lopuksi esitellään työn tulokset ja kehityksessä havaitut jatkokehitysideat. Järjestelmä saavutti sille asetetut tavoitteet. Mittaustarkkuus vastasi silmämääräistä tarkkuutta. Järjestelmän osaluettelon hinta saatiin pysymään alle 50 eurossa. Mikrofonikehys kiinnitettään suoraan pahviseen tauluun, jolloin järjestelmä on helppo siirtää eri käyttökohteeseen. Järjestelmän testaus herätti huomattavaa kiinnostusta muissa ampumaradan käyttäjissä. Kiinnostuksesta johtuen järjestelmän kehitystä tullaan jatkamaan ja samalla tutkitaan mahdollisuudesta kaupallistaa projekti. Mikäli kaupallistaminen ei onnistu jostain syystä, työ julkaistaan avoimen lähdekoodin projektina.

The thesis explains the development of an embedded system. The system was designed for reservist use in target shooting. The system measures acoustically the impact point of a bullet on a shooting target using the shock wave caused by the bullet. The most important goals for the system were measurement accuracy, low price, and mobility. The system sends the measured impacts using a wireless link to the user. The shooter has an HTML-based graphical user interface on his mobile phone. The thesis is divided into ten chapters, each of which describes its own part in the design of embedded systems.

The first part of the thesis focuses on the theory of shock waves, bullet flight paths, and measures made for the thesis. Theory first discusses the factors affecting the speed of sound and the formation of the shock wave. The rest of the theory focuses on the factors affecting the trajectory of the bullet. Using the information from the theory chapter, an algorithm and a machine learning model for calculating the impact point were developed based on the measurements. The middle part of the thesis describes the development stages of the embedded system itself. First, the electronics for making the measurement were developed. As the development progressed, the measurement logic was changed to an FPGA circuit to achieve better accuracy. Next is a description of the operation of the microcontroller and the radio link in it. The system operates via Bluetooth Low Energy. After that, the thesis discusses the development of the microphone mounting frame and its different versions. The last part is the implementation and testing of a user interface that operates in a web browser. The user interface used new internet technology, which enables it to be installed as an application on a smart device.

Finally, the results of the thesis and the ideas for further development during the development are presented. The system achieved the goals set for it. The measurement accuracy corresponded to visual accuracy. The price of the system's parts list was kept below 50 euros. The microphone frame is attached directly to a cardboard board, making the system easy to move to a different application. Testing of the system gained considerable interest among other users of the shooting range. Due to the interest, the development of the system will be continued and at the same time, the possibility of commercializing the project will be investigated. If commercialization is not successful for some reason, the project will be published as an open-source project.