黃佳琪 王善偉 毛凌青 陳金江

摘要：該文闡述了由STM32F103C8T6為主控，以openmv4為圖像處理模塊的電磁炮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過openmv4對(duì)引導(dǎo)標(biāo)識(shí)的圖像識(shí)別捕獲處理得到目標(biāo)點(diǎn)的水平偏角及距離。通過AD分壓采樣與mos管充電開關(guān)配合控制電容充電電壓，建立電容電壓與電磁炮發(fā)射距離之間的數(shù)學(xué)模型，通過調(diào)節(jié)電容電壓值使炮彈落點(diǎn)到指定位置。最終測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能自動(dòng)獲取3m內(nèi)的引導(dǎo)標(biāo)識(shí)信息，并且實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)射擊。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)捕獲;數(shù)學(xué)模型;控制電壓;電磁炮

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）05-0225-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)的發(fā)展，小型智能導(dǎo)彈需求增加，微系統(tǒng)、一體化技術(shù)的應(yīng)用為低成本精確制導(dǎo)武器的發(fā)展提供了可能性[1]。為了讓電磁炮能更加廣泛地用于日常，具有更多現(xiàn)實(shí)意義，設(shè)計(jì)小型化、便攜式的智能化電磁炮是十分有必要的。本設(shè)計(jì)研究智能模擬電磁炮控制系統(tǒng)，可通過手動(dòng)輸入目標(biāo)距離與水平偏角或使其通過圖像處理自動(dòng)捕獲目標(biāo)并獲取水平偏角與距離，隨后一鍵式啟動(dòng)發(fā)射，能夠精準(zhǔn)擊中目標(biāo)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，矩陣鍵盤與OLED屏作為人機(jī)交互部分，用于設(shè)置距離和偏角;openmv4為圖像處理模塊，用于識(shí)別目標(biāo)靶并計(jì)算靶心與電磁炮間距離與水平偏角，從而控制舵機(jī)云臺(tái)兩個(gè)維度的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整發(fā)射水平角度與仰角使炮管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo);stm32f103c8t6為主控芯片，通過12位AD分壓采樣并計(jì)算大電容兩端電壓，建立電壓值與電磁炮射程的數(shù)學(xué)關(guān)系，判斷電容電壓值是否達(dá)到目標(biāo)距離對(duì)應(yīng)的電壓值，若達(dá)到預(yù)定值則斷開充電開關(guān)，開啟放電開關(guān)，電磁炮發(fā)射，使彈丸打到指定位置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要包括以下四部分：控制及其外圍電路、電容充電與ADC采樣電路、電容充電開關(guān)電路、電容放電開關(guān)電路。

2.1 電容充電電路

電容充電電路如圖2所示，大電容采用lOOOOuF/IOOV電容，該電容耐壓為IOOV，在其兩端做ADC采樣分壓電路，用3.3V-5V的穩(wěn)壓管保護(hù)微控制器，利用50歐的功率電阻使其充電速度變緩易于控制。

2.2 電容充電開關(guān)電路

電容充電開關(guān)電路如圖3所示，采用光耦將微控制器與給電容充電開關(guān)隔離避免操作失誤使微控制器燒毀;用MOS管作為開關(guān)電路，MOS管為電壓驅(qū)動(dòng)型，有電壓就能夠?qū)?，多用于大功率，大電流電壓的情況下;并用LED指示器是否正常工作。

2.3 電容放電開關(guān)電路

電容放電開關(guān)電路如圖4所示，由于電磁炮在放電的瞬間會(huì)產(chǎn)生極大的電流，采用25A大功率繼電器去控制放電，而用微控制器的10口驅(qū)動(dòng)三極管讓12V的繼電器導(dǎo)通使電容放電，LED燈指示其是否正常工作。

2.4 控制及其外圍電路

本系統(tǒng)有兩個(gè)控制器，以STM32F103C8T6為主控，openmv用于圖像處理與舵機(jī)控制，它們之間用串口通信，控制鍵盤、OLED屏、兩個(gè)開關(guān)電路，STM32單片機(jī)10口分配如表1所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是雙控制器的，stm32主要是用于控制電容的充放電與人機(jī)交互部分，openmv主要是用于圖像處理與舵機(jī)的控制。openmv通過串口與stm32相連，當(dāng)系統(tǒng)需要使用openmv時(shí)，stm32會(huì)通過串口發(fā)送信息給openmv，openmv進(jìn)行一系列控制之后再將“完成”的應(yīng)答信息返回給stm32，stm32再進(jìn)行相關(guān)控制。

3.1 STM32程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后初始化硬件設(shè)備，通過串口解析openmv圖像處理信息，通過按鍵獲取當(dāng)前工作模式，進(jìn)入相應(yīng)工作狀態(tài)，通過比較AD采樣值與當(dāng)前目標(biāo)距離對(duì)應(yīng)電壓值判斷是否開炮，流程圖如圖5所示。

為了防止由于執(zhí)行某項(xiàng)工作花費(fèi)時(shí)間過長而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，stm32f103c8t6通過SYstick定時(shí)器為串口檢測(cè)及解析、按鍵檢測(cè)、OLED屏顯示、開炮工作四個(gè)任務(wù)中依次切換提供調(diào)度硬件，各任務(wù)可被分配數(shù)ms時(shí)間進(jìn)行工作，需要一個(gè)Systick來產(chǎn)生周期性的中斷，作為整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)基，而且不能讓用戶程序隨意訪問它的寄存器，以維持操作系統(tǒng)“心跳”的節(jié)奏[2]。

3.2 0penmv程序設(shè)計(jì)

通過openmv自帶的感光芯片采集圖像數(shù)據(jù)，在原圖像中尋找與在預(yù)值范圍內(nèi)的像素點(diǎn)，預(yù)值為LAB顏色空間L、A、B三通道值的范圍，在openmv編程時(shí)預(yù)先設(shè)定好，該范圍正好是靶標(biāo)在光線影響下的顏色變化范圍。對(duì)這些像素點(diǎn)進(jìn)行高斯平滑濾波，防止噪聲的干擾[3]，找出圖像中這些像素點(diǎn)所組成的最大色塊，并計(jì)算出色塊中心在圖像中的坐標(biāo)位置，并調(diào)用pid算法控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使其坐標(biāo)與目標(biāo)坐標(biāo)一致，從而使得炮口等對(duì)準(zhǔn)環(huán)形靶，完成所有控制。通過獲得引導(dǎo)標(biāo)識(shí)的像素點(diǎn)從而獲取目標(biāo)距離，為減少像素點(diǎn)的丟失導(dǎo)致誤差的加大，選擇只測(cè)量在橫縱坐標(biāo)差別最大的像素點(diǎn)減少誤差。最后向stm32返回目標(biāo)距離與水平偏角。程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的電磁炮能夠在手動(dòng)輸入距離與偏移角度時(shí)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)射擊功能，還具有在一定范圍內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)耙后，自動(dòng)追蹤靶標(biāo)并擊中靶標(biāo)功能，且系統(tǒng)具有重量輕，規(guī)模小，發(fā)射時(shí)無后坐力等優(yōu)點(diǎn)，此外，電磁炮在運(yùn)行時(shí)電流大，電壓大，本系統(tǒng)特別設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，以確保使用安全。且系統(tǒng)成本低，易于實(shí)現(xiàn)。模塊化的設(shè)計(jì)，提高了實(shí)際應(yīng)用中選擇的靈活性。因此，具有廣泛市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]李陽，秦濤，朱捷，等.電磁軌道炮發(fā)展趨勢(shì)及其關(guān)鍵控制技術(shù)[Jl.現(xiàn)代防御技術(shù)，2019，47（04）：19-23.

[2]李立春，劉卓.基于ARM Cortex-M3的SysTick解析[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，32（01）：36-39.

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【通聯(lián)編輯：唐一東】