張 娟，堵大偉，布 瑾，肖 建，童 祎，何 南

(南京郵電大學 電子與光學工程學院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

隨著科技的不斷革新，軍事武器的換代越來越快。以火藥為代表的傳統(tǒng)化學發(fā)射技術具有原理上的局限性，難以滿足現(xiàn)代軍事技術對更高速度、更高效率的追求，很有必要另辟蹊徑。電磁發(fā)射技術利用電磁力代替火藥發(fā)射物體，以超高的動能對目標進行殺傷摧毀，是當今世界各軍事大國都在競相發(fā)展的一類新概念武器技術[1-2]。電磁炮正是利用電磁發(fā)射技術制成的一種先進動能殺傷武器，它利用電磁場產生的洛倫茲力對金屬彈丸進行加速，使其獲得打擊目標所需的動能[3-6]。電磁炮與其他火炮相比具有以下顯著特點:彈丸初速高，炮口動能大;射擊無聲響,無炮口焰;射速高、反應能力強;后勤供應簡單,安全可靠等。近年來，對電磁炮理論的驗證與研究已經成為一種新的趨勢[7-8]。其中主要的工作有：蔡東如[9]提出了一種微型電磁線圈炮的設計與實現(xiàn)方法，利用升壓模塊與儲能電容等成功發(fā)射了炮彈。陳鵬旭[10]提出了一種三級加速便攜式電磁炮的設計和制作方法，實現(xiàn)了電磁炮更遠的發(fā)射距離。張榮達[11]提出了基于線圈炮實驗對其效率影響因素的研究方法，得出每個影響因素均存在一個最佳值使得線圈炮的效率最大，即一定程度上提高了電磁炮發(fā)射效率。然而這些研究主要體現(xiàn)于電磁炮的發(fā)射，對電磁炮發(fā)射的自動性以及自主性還有明顯的不足，無法滿足新興軍事技術的需求。

文中基于現(xiàn)有電磁線圈炮的設計與制作方法，針對目前電磁炮射程不易調節(jié)、不能對指定物體射擊及自動性差等問題，研究了一種基于圖像處理的模擬電磁炮自動打靶系統(tǒng)，通過OpenMV識別并定位顏色靶標，根據其與圖像中心的像素差值不斷調整舵機左右轉動，激光測距獲取紅色目標環(huán)形靶與模擬電磁炮的距離，模擬電磁炮驅動電路控制超級電容充放電狀態(tài)，從而實現(xiàn)模擬電磁炮自主尋找目標并進行打靶。充分驗證了電磁炮的發(fā)射原理，實現(xiàn)了電磁炮的自動性與智能化。

1 系統(tǒng)整體設計方案

該模擬電磁炮自動打靶系統(tǒng)主要包含圖像處理子系統(tǒng)、激光測距子系統(tǒng)以及驅動電路子系統(tǒng)。采用TM4C123GH6PM作為TM4單片機最小系統(tǒng)控制電路，進行各子系統(tǒng)數(shù)據的處理與狀態(tài)的控制。由OpenMV攝像頭在其視野范圍內定位出紅色環(huán)形目標靶，TM4單片機獲取攝像頭返回的目標靶像素值并以此控制舵機云臺轉向，直至目標靶與圖像中心的像素差趨于零。在獲取激光測距模塊的返回值后，進行電容電壓的數(shù)據處理與計算，從而控制驅動電路子系統(tǒng)的狀態(tài)。另外，串口屏控制平臺控制整個系統(tǒng)的一鍵啟動，電容電壓值在串口屏上實時顯示，直觀體現(xiàn)出電容電壓與模擬電磁炮射程的關系，也一定程度上保障了系統(tǒng)的安全性，防止因充電電壓過大而損壞電路。在系統(tǒng)的搭建過程中，應使舵機云臺、模擬電磁炮炮筒、OpenMV攝像頭、激光雷達擺放水平且其中心在同一條豎直線上，從而保證了炮彈會正對著紅色目標環(huán)形靶出射。系統(tǒng)的整體結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖

德州儀器的TivaTMC系列ARM Cortex-M4微控制器具有頂級性能和高級集成功能。適用于需要控制成本，同時又需要大量控制和連接能力的應用，如低功耗手持智能設備、游戲設備、家用和商用監(jiān)控、工廠自動化等多個領域。另外，TM4C123FH6PM微控制器的優(yōu)勢還在于能夠方便地運用多種ARM的開發(fā)工具和片上系統(tǒng)(SoC)的底層IP應用方案，以及廣大的用戶群體。TM4C123FH6PM微控制器代碼大多與TivaTMC系列產品線兼容，滿足了用戶多樣性與設計靈活性的需求。該系統(tǒng)主要運用其進行數(shù)據的快速準確處理與交互功能。

1.1 圖像處理子系統(tǒng)

圖像處理子系統(tǒng)主要包含OpenMV攝像頭。OpenMV是一種可擴展、開源、低成本、支持Python的機器視覺模塊，以STM32F427CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，引出UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴展外圍功能。功能強大，大大簡化了機器視覺的算法編程，因其操縱的簡潔性、程序的完備性、功能的全面性，在顏色識別、形狀識別以及目標追蹤領域發(fā)揮著重要作用[12-14]。在本模擬電磁炮系統(tǒng)中，需要攝像頭對目標靶進行識別、追蹤并返回像素坐標，故使用OpenMV這種低能耗、高集成、功能完善的攝像頭。

模擬電磁炮需對靶進行射擊，為了保證炮彈出射方向的準確性，必須要求攝像頭在其視野范圍內準確識別并定位出紅色目標環(huán)形靶的位置，像素位置的偏差會影響舵機云臺PWM的調節(jié)值，導致炮筒與靶中心不在同一條直線上。故OpenMV攝像頭在該系統(tǒng)中起著舉足輕重的作用。

1.2 激光測距子系統(tǒng)

超聲波測距與激光測距均能完成獲取模擬電磁炮炮筒與紅色目標環(huán)形靶距離的功能。超聲波測距傳感器也可以用于檢測距離較遠的物體，而且由于它不是光學裝置，所以不受顏色變化的影響，但超聲波傳感器的原理是聲速測距，存在一些固有的缺點，在本電磁炮自動打靶系統(tǒng)中，主要有以下影響：

(1)超聲波檢測的目標必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以內。若待測靶標中心與電磁炮炮筒偏離一個小角度即不垂直轉態(tài)，將會影響實際射程的測量，從而導致脫靶。

(2)超聲波傳感器不適宜在多風的場合和溫度梯度較大的場合。溫度梯度較大會造成聲速的變化。即對此系統(tǒng)運行的環(huán)境要求提出了較高的條件。而激光測距傳感器的優(yōu)勢能解決上述所有場合的檢測。自1960年世界上第一臺激光器誕生后不久，激光測距憑借其方向性高、單色性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于工業(yè)自動化監(jiān)控、建筑測量等場合[15]。相比于其他光學測距和聲波測距，激光能夠適應更為廣泛的外界環(huán)境，并且具有更高的測量精度與更遠的測量范圍。在本模擬電磁炮自動打靶系統(tǒng)中，進一步提高了打靶的準確性。

激光測距子系統(tǒng)主要包含了TFmini-Plus小型激光雷達模塊，實現(xiàn)了模擬電磁炮炮筒與紅色目標環(huán)形靶的測距功能。激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標靶發(fā)射激光脈沖，經目標靶反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。模擬電磁炮射程的測量即可通過光脈沖發(fā)出到返回被接收所經歷的時間來計算。因為光速較快，需保證時間測量的準確性。將所測的距離通過UART通信串口返回給TM4單片機。

1.3 驅動電路子系統(tǒng)

模擬電磁炮的驅動電路子系統(tǒng)主要由升壓模塊、超級電容、可控硅、整流二極管、線圈、繼電器組成。超級電容對線圈放電時電流較大，采用普通的空氣開關比較危險，故這里采用可控硅開關。制作線圈時，將線圈均勻地纏繞在模擬電磁炮炮筒的底部，線圈的匝數(shù)影響炮彈的出膛速度，但并不是匝數(shù)越多越好，匝數(shù)越多，也意味著電阻越大，在放電時產生的焦耳熱就越多，造成線圈發(fā)熱等不必要的能量損失，模擬電磁炮的精度也會大大下降，故需要找到線圈匝數(shù)的最佳平衡點。繼電器是一種用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”，在本系統(tǒng)電路中通過TM4單片機控制繼電器的開與關，起著自動調節(jié)、安全保護的作用。

2 模擬電磁炮自動打靶

模擬電磁炮自動打靶程序流程如圖2所示。

圖2 模擬電磁炮自動打靶程序流程

2.1 OpenMV目標靶定位

準確使用此模擬電磁炮自動打靶系統(tǒng)的關鍵在于OpenMV攝像頭對紅色目標環(huán)形靶的識別效果，只有正確定位出紅色目標環(huán)形靶的位置，系統(tǒng)的功能才能繼續(xù)往下執(zhí)行。OpenMV攝像頭在其視野范圍內識別并定位出紅色目標環(huán)形靶，并將其中心點坐標通過串口傳送給TM4單片機，TM4單片機數(shù)據解析成功后，計算出其與圖像中心的像素坐標差，作為PID調節(jié)的輸入變量值，并將PID調節(jié)的輸出值賦給舵機云臺的PWM，控制舵機云臺轉動直至模擬電磁炮炮筒正對紅色目標環(huán)形靶中心。為了便于直觀地判斷模擬電磁炮炮筒與紅色目標環(huán)形靶的位置關系，在炮筒正上方增加了激光筆，舵機云臺停止轉動時，激光點應在紅色目標環(huán)形靶的正中心。本系統(tǒng)目標靶定位的具體流程如下：

(1)利用uart.init()函數(shù)對串口的波特率、停止位、奇偶校驗等進行設置，sensor模塊設置感光原件基礎參數(shù)，使其像素格式為RGB565并回傳像素大小為320×240的圖像。同時關閉白平衡和自動增益，防止其影響色彩的識別和分辨。設定紅色區(qū)域的LAB色彩區(qū)間閾值，通過實驗測試該系統(tǒng)選定(30，100，15，127，15，127)為比較合適的紅色區(qū)域閾值。

(2)利用img.find_blobs()函數(shù)識別圖像中所有的紅色色塊、定位像素點的坐標值并忽略掉像素值小于50×50的區(qū)域。為防止外界光線影響，將像素間距十分接近的色塊進行合并。在本系統(tǒng)中只需要識別出一種紅色物體即紅色環(huán)形靶標，通過色塊像素面積的比較篩選出面積最大的紅色色塊，利用img.draw_rectangle()函數(shù)將其用矩形框在顯示界面上框出來，并用白色十字標出矩形框中心，以便后續(xù)調節(jié)OpenMV攝像頭中心、炮筒中心、激光點中心三點交匯。

(3)在串口通信中，采用“幀頭+數(shù)據+幀尾”的數(shù)據格式發(fā)送給TM4單片機，便利了TM4單片機的數(shù)據解析，提高了數(shù)據傳送的準確性。為避免十六進制數(shù)據返回給TM4單片機時發(fā)生溢出，需將回傳的像素坐標值取中值，TM4單片機接受時將數(shù)據加倍即可。這樣，TM4單片機便獲取了靶標中心的像素點坐標，將其與圖像中心X方向的像素值做差，即得到調節(jié)舵機云臺轉動的像素差值。

(4)在固定系統(tǒng)機械裝置時，使激光點正對紅色目標環(huán)形靶中心，表示此機械裝置在豎直方向上準確固定，舵機云臺只需左右轉動尋找目標靶。調節(jié)舵機云臺左右轉向時，像素差作為PID控制器的輸入變量，經過PID控制器的P、D控制因子對舵機云臺的PWM進行調節(jié)，合適的比例調節(jié)和微分調節(jié)可以實現(xiàn)舵機云臺在定位出靶標后，穩(wěn)定的向左或向右轉動，直至像素差趨于零，直觀上體現(xiàn)出來的是激光點在紅色目標環(huán)形靶正中心，表示炮彈會正對著靶標中心出射。其中，P、D值需通過多次實驗選擇出最佳值，使得系統(tǒng)裝置更加靈活、有序、穩(wěn)定。

2.2 電容充電電壓計算

在舵機云臺停止轉動后，代表電磁炮炮筒正對著目標環(huán)形靶，代表此系統(tǒng)通過OpenMV攝像頭已經定位出紅色目標環(huán)形靶的具體方向與準確位置。此時激光雷達的測距值便是紅色目標環(huán)形靶距炮筒的水平距離，即獲取了所需的模擬電磁炮的射程。單片機讀取激光雷達測距值，為保證數(shù)據的準確性，可多次測量取距離的平均值。模擬電磁炮射程獲取后，超級電容開始充電。因為電容充電電壓是關于模擬電磁炮射程的一次函數(shù)即任一充電電壓值有唯一確定的電磁炮射程與之對應，根據預先擬合好的模擬電磁炮射程與電容充電電壓的關系曲線，可以獲取電容兩端的理論充電電壓值。在給電容充電的過程中，軟件設計若電容充電電壓值達到所需閾值，停止充電，隨即開關控制模擬電磁炮放電，在電磁力的作用下炮彈出射。其中，擬合電容充電電壓與模擬電磁炮射程的關系曲線方法如下：

(1)電容充電電壓值可達到四百多伏，由于TM4單片機采集電壓值大小的限制，將兩個串聯(lián)在一起且比例適當?shù)碾娮璨⒙?lián)于儲能電容兩端，其中較小電阻的阻值不能超過TM4單片機采集電壓的閾值，即起到一個良好的分壓作用。TM4單片機采集其中較小電阻的電壓值，并通過兩個串聯(lián)電阻的比例關系計算得出實際儲能電容兩端的電壓。

(2)按固定間隔如5 V依次增加儲能電容兩端電壓，在每一個電壓值下發(fā)射三次模擬電磁炮，測量模擬電磁炮射程并獲取平均值，記錄實驗數(shù)據。

(3)獲取一組實驗數(shù)據后，運用Matlab根據離散的儲能電容兩端電壓與模擬電磁炮射程之間的關系擬合出所需曲線。

擬合的曲線對模擬電磁炮打靶的準確性至關重要。在擬合曲線時，應控制炮彈大小與質量、線圈發(fā)熱情況等外界環(huán)境變量一致。在追求較高的準確性時，也可多次進行曲線的模擬選取最佳關系曲線。

2.3 驅動電路控制打靶

模擬電磁炮驅動電路示意圖如圖3所示。12 V電源電壓經過升壓模塊，得到100 V至400 V的連續(xù)可變直流高電壓，升壓模塊連續(xù)使用時需要注意散熱問題，切不可使輸出端短路。這里必須注意升壓器額定的輸入和輸出電壓必須與直流電源和電容的額定電壓匹配，否則容易損壞。此高電壓通過整流二極管后給儲能電容充電，整流二極管具有明顯的單向導電性，可以將交流電能轉變?yōu)橹绷麟娔?。這里采用硅整流二極管，其擊穿電壓高，反向漏電流小，高溫性能良好，有利于模擬電磁炮系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。儲能電容采用容量較大的超級電容，超級電容耐壓值高，容量大，采用并聯(lián)的方式可以進一步增大容量，滿足了模擬電磁炮遠射程時電容高放電電壓的需求。

圖3 電磁炮驅動電路示意圖

放電時，儲能電容與線圈組成一個回路，根據麥克斯韋電磁場理論可得變化的電流產生磁場，彈丸獲得的強大磁場力將其彈射出。線圈加速原理如圖4所示。因此，模擬電磁炮炮彈的射程與線圈的匝數(shù)、炮彈質量、放電電壓等影響因素的關系可以通過理論值計算出來，但實際結果與理論值的誤差很難避免。本系統(tǒng)采用如上述所述的擬合模擬電磁炮炮彈射程與電容充電電壓關系曲線的方法進行發(fā)射。具有更高的準確度與更好的直觀性。

圖4 線圈加速原理

電容充放電的詳細過程為：

(1)當開關1閉合時，儲能電容通過升壓模塊進行充電，TM4單片機實時檢測電阻1的電壓值，一旦達到預定值后，停止充電，即斷開開關1。

(2)當開關1斷開時，電路處于待發(fā)狀態(tài)，由于可控硅開關的阻礙，超級電容不能向線圈放電?？煽毓栝_關起到了很好的保護電路的作用，實現(xiàn)了放電狀態(tài)人為可控的功能，提高了模擬電磁炮的性能。

(3)接著閉合開關2，可控硅開關被激發(fā)導通，超級電容開始向線圈放電，擊發(fā)彈丸。

(4)開關1、2在程序自動運行狀態(tài)下通過繼電器實現(xiàn)，其中開關1為充電繼電器，開關2為放電繼電器。另外，本裝置額外接有手動按鈕，即電容可手動充放電，也保證在緊急情況下電容可以手動放電，增強了系統(tǒng)的安全性。開關的閉合與斷開對應于TM4單片機上LED燈的亮滅，增強了系統(tǒng)的直觀性。

3 實驗結果分析

在本實驗中，通過OpenMV攝像頭識別紅色目標環(huán)形靶，不斷調整舵機轉向直至紅色目標環(huán)形靶中心與圖像中心像素差在誤差允許的范圍內，激光測距后得到預定電壓值，隨即超級電容充放電完成打靶。整個過程只需在串口屏上一鍵啟動，也可以通過按鍵實現(xiàn)，完成了基于圖像處理的模擬電磁炮的自動打靶。

調節(jié)模擬電磁炮炮筒的俯仰角以及電容充電電壓均能改變炮彈射程。在實驗過程中，首先測試了模擬電磁炮炮筒俯仰角與炮彈射程的關系，發(fā)現(xiàn)對角度測量要求的精確度高，比較小的角度偏差便可能導致射程的較大誤差，難度較大。而充電電壓的改變較之角度的改變更為直觀與準確，故本實驗把模擬電磁炮炮筒俯仰角固定在了一個合適角度，只控制充電電壓的變化。表1是電容電壓與射程實驗測量中選取的五組具有代表性的數(shù)據結果。

表1 實驗測試數(shù)據

由實驗結果分析可知，由于OpenMV圖像處理的加入，紅色目標環(huán)形靶的定位很準確，實際模擬電磁炮的射程與預期的射程誤差很小，表示此系統(tǒng)的精確度較高。另外，在多次打靶之后，線圈會出現(xiàn)一定程度的發(fā)熱情況，導致模擬電磁炮射程低于理想射程，實驗中增加了外接風扇給線圈散熱。

4 結束語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是涵蓋多領域、多維度、全時域、高烈度的綜合較量。電磁炮是利用電磁技術形成的新概念殺傷武器，在能源利用率以及成本條件上與傳統(tǒng)火炮相比具有極大的優(yōu)勢，已成為軍事強國研發(fā)的重點。加速電磁發(fā)射技術的發(fā)展已成為各國爭奪戰(zhàn)爭主動權的主要舉措之一?；趫D像處理的模擬電磁炮自動打靶系統(tǒng)對電磁炮進行了小型化處理，驗證了電磁發(fā)射的原理，成功改進了現(xiàn)有電磁炮自主性差、可調性差等問題。實驗結果顯示，該系統(tǒng)完成了對指定目標的高精度自主打靶，具有潛在的應用價值與推廣性。