張清勇， 呂笑天， 李志勇， 李嘉豪

（武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，武漢430070）

0 引 言

隨著機(jī)器視覺不斷發(fā)展以及人們對電磁場學(xué)科的不斷探索，電磁曲射炮逐漸步入人們的視野。針對高校對電磁場以及機(jī)器視覺的教學(xué)，設(shè)計一種基于機(jī)器視覺的模擬電磁曲射炮系統(tǒng)可以更好地幫助學(xué)生掌握相關(guān)知識。

目前出現(xiàn)的電磁發(fā)射器按照發(fā)射原理和結(jié)構(gòu)不同主要分為軌道型、重接型和線圈型［1-2］。

軌道型電磁炮采用金屬軌道作為炮管、固體或等離子體作為電樞、運(yùn)用洛倫茲力實現(xiàn)電樞的發(fā)射，軌道型電磁炮起步較早，從構(gòu)造方面來看更加接近傳統(tǒng)炮概念，但因受軌道材料限制當(dāng)今發(fā)展較慢。

重接型電磁炮無炮管、電樞，采用磁場重接完成彈丸的發(fā)射，該電磁炮具有無接觸、無燒融等優(yōu)點，但目前對重接型電磁炮的研究還不是很成熟，不適合本次設(shè)計使用。

線圈型電磁炮的炮管形式為驅(qū)動線圈，使用金屬環(huán)作為電樞，運(yùn)用載流導(dǎo)體間的磁力完成彈丸的發(fā)射，此種電磁炮因驅(qū)動線圈與炮彈無直接接觸，避免摩擦因素，并且相同電流下推進(jìn)力更大、可控性更好［3］。

本文使用線圈型電磁炮以及OpenMV機(jī)器視覺模塊，實時獲取所需顏色位置，實現(xiàn)炮口對引導(dǎo)標(biāo)識的實時追蹤，并實現(xiàn)對環(huán)形靶心的精準(zhǔn)打擊。系統(tǒng)方案實現(xiàn)難度較低，且精度極高，足夠滿足本次設(shè)計需要。

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

基于機(jī)器視覺的模擬電磁曲射炮系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該結(jié)構(gòu)由兩個2 自由度云臺構(gòu)成，舵機(jī)1控制電磁炮、攝像頭以及超聲波模塊的橫向轉(zhuǎn)動；舵機(jī)2 控制電磁炮的縱向轉(zhuǎn)動；舵機(jī)3、4 控制超聲波模塊的角度，完成對超聲波模塊角度的微調(diào)，實現(xiàn)超聲波模塊精準(zhǔn)正對引導(dǎo)標(biāo)識，以達(dá)到對標(biāo)識距離的精準(zhǔn)測量。

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件

2.1 系統(tǒng)硬件

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能有：識別引導(dǎo)標(biāo)識，控制舵機(jī)1 運(yùn)動使炮管正對引導(dǎo)標(biāo)識，測出引導(dǎo)標(biāo)識與電磁炮的距離，完成對環(huán)形靶心的精準(zhǔn)打擊。

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)硬件由主控制器、識別、運(yùn)動控制、電磁炮控制和人機(jī)交互等模塊構(gòu)成，系統(tǒng)硬件總體框圖如圖2 所示。主控制器負(fù)責(zé)驅(qū)動各傳感器、執(zhí)行相關(guān)運(yùn)算并負(fù)責(zé)輸出控制信號。識別模塊包括一個超聲波測距模塊和一個攝像頭，攝像頭自帶微處理器，運(yùn)行相關(guān)圖像處理算法，將獲得的結(jié)果發(fā)送給主控制器。運(yùn)動控制模塊包括兩個大扭矩以及兩個普通舵機(jī)。人機(jī)交互模塊包括OLED顯示屏和紅外遙控接收發(fā)送裝置，實現(xiàn)模式選擇和相關(guān)信息的顯示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體框圖

2.2 主控模塊

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)主控模塊選用STM32F407VGT6 芯片，該款微處理器采用ARM -CortexM4 核心，最高工作頻率168 MHz［4］，采用LQFP100 的封裝形式。FLASH 大小為1 024 KBytes，共有82 個GPIO，具有10 個16 bit通用定時器、2 個16 bit高級定時器和2 個16 bit 基本定時器。還有10.5 Mbit/ s的串口4 個，通過串口可以和OV7725 攝像頭系統(tǒng)進(jìn)行通信，使系統(tǒng)獲取目標(biāo)點的位置信息，實現(xiàn)對引導(dǎo)標(biāo)識的獲取。

2.3 識別模塊

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)識別模塊中包括US-100 超聲波測距模塊以及基于OV7725 攝像頭的OpenMV Cam H7 視覺模塊，如圖3 所示。

圖3 識別模塊實物圖

US-100 超聲波測距模塊可實現(xiàn)2 cm ～4.5 m 的非接觸測距功能，擁有2.4 ～5.5 V 的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進(jìn)行矯正，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠譜且精度較高。

OpenMV Cam H7 機(jī)器視覺模塊由板載微處理器STM32H743VI 和OV7725 攝像頭構(gòu)成。其具有400MHz的主頻、1MB 的RAM 和2Mb 的Flash，可以使用MicroPython對其進(jìn)行編程，實現(xiàn)機(jī)器視覺相關(guān)任務(wù)［5］，例如：顏色識別、形狀識別、人臉識別、邊緣檢測和特征點追蹤等。在顏色追蹤［6］、3D 定位識別［7］和特征檢測人臉識別［8］等領(lǐng)域均獲得了應(yīng)用。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，通過對目標(biāo)顏色識別，將獲取到的坐標(biāo)點發(fā)送給主控芯片以進(jìn)行后續(xù)的運(yùn)算與處理。

2.4 運(yùn)動控制模塊

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)運(yùn)動控制模塊由2 個小型舵機(jī)、2個大扭矩舵機(jī)組成。大扭矩舵機(jī)采用BLS-825 型舵機(jī)，該舵機(jī)在8.4 V電壓時具有3.5 N·m的扭矩，并且具有0.11 s/ 60°的相應(yīng)速度。該舵機(jī)如圖4所示。

圖4 BLS-825型舵機(jī)

2.5 人機(jī)交互模塊

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)人機(jī)交互模塊由一片2.44 cm OLED 屏幕、紅外接收頭HS0038 和紅外遙控器組成。

系統(tǒng)中OLED屏幕采用2.44 cm 128 × 64 SPI/ IIC OLED屏幕，如圖5 所示。其OLED 顯示驅(qū)動器為SSD1306，該OLED 屏幕具有以下特點：對比度高，顯示清晰；接線方式豐富，具有串行SPI 和IIC 接口方式，且接線方便、節(jié)約微處理器的I/ O 口。OLED 屏幕用來顯示當(dāng)前的模式和相關(guān)信息。

圖5 OLED屏幕

紅外遙控器使用NEC協(xié)議，數(shù)據(jù)格式為：同步碼、地址碼、地址反碼、控制碼和控制反碼。同步碼由一個低電平和一個高電平組成，低電平時長9 ms、高電平時長4.5 ms，數(shù)據(jù)中剩下的4 部分均由8 bit 數(shù)據(jù)組成。

2.6 電磁炮控制模塊

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)電磁炮控制模塊由電磁炮控制電路組成，該電路具有40 mF電解電容構(gòu)成儲能部分、一個OPA548 功率運(yùn)放、一個SS8050 三極管構(gòu)成可控充電部分、一個CSD19535 MOS管構(gòu)成放電部分，該電路充電電壓可控，輸出電流恒定，該電路模塊的實物圖如圖6 所示。

圖6 電磁炮控制電路

2.7 硬件電路

（1）電磁炮控制電路。電磁炮控制電路原理如圖7 所示，使用OPA548 功率運(yùn)放搭建10 倍同相放大電路，通過采集單片機(jī)D/ AC輸出的電壓，并對電壓進(jìn)行10 倍放大，作為電容的充電電壓，以達(dá)到控制電容能量作用；通過SS8050NPN 型三極管控制功率運(yùn)放的E / S端，完成運(yùn)放的通斷功能。

圖7 電磁炮控制電路原理圖

由數(shù)據(jù)手冊得知，該運(yùn)放的輸出電流：

由電容儲能公式得知，電容儲能與電容量C 成正比，與電容電壓U 的平方成正比，本設(shè)計使用40 mF的電容以減小充電電壓的大小，提高整體安全性。

電磁炮控制電路控制端與STM32F407VGT6 的接線方式見表1。

表1 電磁炮控制電路與STM32F407VGT6 接線方式

（2）運(yùn)動控制模塊電路。運(yùn)動控制模塊中，舵機(jī)的控制端須連接到主控的PWM 輸出引腳上。4 個舵機(jī)控制端與STM32F407VGT6 的接線方式見表2。

表2 舵機(jī)與STM32F407VGT6 接線方式

（3）識別模塊電路。OpenMV Cam H7 機(jī)器視覺模塊使用串口與STM32F407ZGT6 微處理器進(jìn)行通信。OpenMV Cam H7 機(jī)器視覺模塊的VIN 引腳連接電源正極，使用5V電源進(jìn)行供電，P4 引腳和P5 引腳與STM32F407VGT6 微處理器的接線方式見表3。

表3 OpenMV Cam H7 與STM32F407VGT6 接線方式

US-100 超聲波測距模塊同樣使用串口與STM32F407ZGT6 微處理器進(jìn)行通信。US-100 超聲波測距模塊的VIN 引腳連接電源正極，使用5V 電源進(jìn)行供電，TX 引腳和RX 引腳與STM32F407VGT6 微處理器的接線方式見表4。

表4 US-100 超聲波測距模塊與STM32F407VGT6 接線方式

（4）人機(jī)交互模塊電路。人機(jī)交互模塊中，紅外接收頭HS0038 與STM32F407ZGT6 的PB1 通過10 kΩ電阻相連。

OLED 顯示屏，采用4 線串口模式，通過VCC給OLED屏幕進(jìn)行供電，使用3.3 V 電源，OLED 屏幕的D0、D1、RES、DC 和CS 引腳與STM32F407VGT6 微處理器的接線方式如表5 所示。

表5 OLED屏幕與STM32F407VGT6 接線方式

基于機(jī)器視覺的模擬電磁曲射炮系統(tǒng)的硬件電路如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)硬件電路圖

3 系統(tǒng)軟件

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)軟件設(shè)計部分主要包括STM32F407VGT6主程序設(shè)計、顏色追蹤功能的實現(xiàn)以及測距功能的實現(xiàn)。

3.1 主程序

模擬電磁曲射炮系統(tǒng)軟件設(shè)計采用狀態(tài)機(jī)的思想，主程序流程如圖9 所示。打開系統(tǒng)后，首先完成STM32 主控芯片的系統(tǒng)配置：初始化中斷優(yōu)先級、定時器中斷、USART 中斷和相關(guān)I/ O 端口；之后對外設(shè)模塊進(jìn)行初始化配置：OLED 顯示屏初始化。之后進(jìn)入任務(wù)控制循環(huán)，通過等待紅外遙控輸入信號來進(jìn)行任務(wù)的選擇。當(dāng)TASK 被置為相應(yīng)序號，則進(jìn)行相應(yīng)指令的執(zhí)行。

配置串口中斷，使OpenMV 攝像頭模塊以及US-100 超聲波測距模塊的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂菩酒?，并通過主控制芯片對坐標(biāo)位置進(jìn)行運(yùn)算。

圖9 主程序流程圖

3.2 顏色追蹤功能實現(xiàn)

使用OpenMV Cam H7 機(jī)器視覺模塊實時監(jiān)測引導(dǎo)標(biāo)識的坐標(biāo)信息，引導(dǎo)標(biāo)識處設(shè)計為紅色，在周圍沒有其他紅色物體的場地，采用顏色追蹤的方式進(jìn)行坐標(biāo)識別。OpenMV使用MicroPython 進(jìn)行編程，首先對攝像頭寄存器進(jìn)行配置：使用RGB565 色彩模式和QVGA級別分辨率，關(guān)閉白平衡和自動增益。之后進(jìn)入程序主循環(huán)，不斷進(jìn)行色塊檢測并將色塊位置使用串口發(fā)送給STM32F407VGT6。USART 每次傳輸8 bit數(shù)據(jù)，攝像頭圖像平面坐標(biāo)水平方向數(shù)據(jù)范圍為0 ～319，將水平方向數(shù)據(jù)拆成2 次進(jìn)行發(fā)送，STM32F407VGT6 端將數(shù)據(jù)重新組合進(jìn)行使用。

STM32F407VGT6接收到坐標(biāo)信息后，進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗和濾波等預(yù)處理，接著進(jìn)行坐標(biāo)變換，然后驅(qū)動舵機(jī)1 進(jìn)行轉(zhuǎn)動，直至檢測到引導(dǎo)標(biāo)識位于圖像橫向正中心。

3.3 測距功能的實現(xiàn)

測距功能的實現(xiàn)采用超聲波測距輔以單目攝像頭測距［9］。顏色追蹤步驟完成后，引導(dǎo)標(biāo)識位于圖像橫向正中心，此時攝像頭正對引導(dǎo)標(biāo)識，攝像頭所成圖像與實際引導(dǎo)表示大小的關(guān)系如圖10 所示。

圖10 單目攝像頭測距原理圖

由于攝像頭內(nèi)圖像呈現(xiàn)為像素點形式，而像素點形式換算成圖像的大小時具有一定范圍的誤差［10-11］。已知引導(dǎo)標(biāo)識大小、所測圖像像素點大小以及相機(jī)焦距，可粗略估計引導(dǎo)標(biāo)識距攝像頭距離的范圍［12-15］，并使其作為引導(dǎo)標(biāo)識距超聲波傳感器精確距離的范圍，然后使舵機(jī)3 進(jìn)行小范圍擺動并獲取超聲波傳感器的讀數(shù)，取超聲波傳感器在精處理的估計范圍中讀數(shù)的最大值作為超聲波傳感器距離。

4 測試與分析

模擬電磁曲射炮實物如圖11 所示，云臺1 的結(jié)構(gòu)由鋁板構(gòu)成，電磁炮支撐結(jié)構(gòu)、云臺2 支撐結(jié)構(gòu)由3D打印件組成。環(huán)形靶由10 個直徑分別為5、10、15、…、50 cm 的同心圓組成，外徑50 cm，靶心直徑5 cm；環(huán)形靶引導(dǎo)標(biāo)識為直徑20 cm 的紅色圓形平板，在距靶心30 cm 處與靶平面垂直固定安裝，圓心距靶平面高度30 cm。并設(shè)定平均環(huán)數(shù)測試指標(biāo)，換算公式為：平均環(huán)數(shù)=總環(huán)數(shù)/測試次數(shù)。

圖11 模擬電磁曲射炮實物圖

4.1 模擬電磁曲射炮測試

（1）手動環(huán)形靶打擊測試。首先進(jìn)行手動環(huán)形靶打擊功能測試，用鍵盤給電磁炮輸入環(huán)形靶中心與定標(biāo)點的距離d 及與中心軸線的偏離角度a，一鍵啟動后，電磁炮自動瞄準(zhǔn)射擊，記錄擊中環(huán)數(shù)。相關(guān)測試結(jié)果見表6。

表6 手動環(huán)形靶打擊測試記錄表

（2）自動環(huán)形靶打擊測試。進(jìn)行自動環(huán)形靶打擊功能測試，在指定范圍內(nèi)任意位置放置環(huán)形靶，一鍵啟動后，電磁炮自動搜尋目標(biāo)并炮擊環(huán)形靶4 次均擊中9 環(huán)。

4.2 模擬電磁曲射炮測試結(jié)果分析

通過多次測試，手動環(huán)形靶打擊平均環(huán)數(shù)為9.4環(huán)，自動環(huán)形靶打擊測試平均環(huán)數(shù)為9.35 環(huán)。實驗結(jié)果表明使用機(jī)器視覺追蹤引導(dǎo)標(biāo)識精度高，并且測距精度高，手動打靶與自動打靶環(huán)數(shù)極為接近。但同時暴露出一系列問題。電磁炮距離與電磁炮俯仰角度關(guān)系模型建立精度較低，在電磁炮距引導(dǎo)標(biāo)識235 ～240 cm時精度較低，偏差較大。

5 結(jié) 語

設(shè)計一種基于機(jī)器視覺的模擬電磁曲射炮實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了機(jī)器視覺與顏色追蹤技術(shù)，實現(xiàn)了通過追蹤引導(dǎo)標(biāo)識使電磁炮對環(huán)形靶精準(zhǔn)打擊功能。系統(tǒng)使用較為簡單的方案實現(xiàn)了較高顏色追蹤以及環(huán)形靶打擊準(zhǔn)確性。該系統(tǒng)應(yīng)用于教學(xué)與實驗，可幫助學(xué)生更好地掌握電磁場和機(jī)器視覺領(lǐng)域相關(guān)知識。

整個系統(tǒng)仍有一定改進(jìn)空間：通過更換云臺1 的舵機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)對云臺角度更精準(zhǔn)的控制；通過增加對電磁炮電壓的控制，實現(xiàn)對電磁炮射擊距離的更精準(zhǔn)控制。