基于STM32 的模擬電磁曲射炮實驗系統設計

張清勇， 呂笑天， 李志勇， 李嘉豪

（武漢理工大學自動化學院，武漢430070）

0 引 言

隨著機器視覺不斷發展以及人們對電磁場學科的不斷探索，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器視覺的教學，設計一種基于機器視覺的模擬電磁曲射炮系統可以更好地幫助學生掌握相關知識。

目前出現的電磁發射器按照發射原理和結構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、運用洛倫茲力實現電樞的發射，軌道型電磁炮起步較早，從構造方面來看更加接近傳統炮概念，但因受軌道材料限制當今發展較慢。

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

線圈型電磁炮的炮管形式為驅動線圈，使用金屬環作為電樞，運用載流導體間的磁力完成彈丸的發射，此種電磁炮因驅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力更大、可控性更好［3］。

本文使用線圈型電磁炮以及OpenMV機器視覺模塊，實時獲取所需顏色位置，實現炮口對引導標識的實時追蹤，并實現對環形靶心的精準打擊。系統方案實現難度較低，且精度極高，足夠滿足本次設計需要。

1 系統機械結構

基于機器視覺的模擬電磁曲射炮系統機械結構如圖1 所示。該結構由兩個2 自由度云臺構成，舵機1控制電磁炮、攝像頭以及超聲波模塊的橫向轉動；舵機2 控制電磁炮的縱向轉動；舵機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，實現超聲波模塊精準正對引導標識，以達到對標識距離的精準測量。

圖1 系統機械結構圖

2 系統硬件

2.1 系統硬件

模擬電磁曲射炮系統需要實現的功能有：識別引導標識，控制舵機1 運動使炮管正對引導標識，測出引導標識與電磁炮的距離，完成對環形靶心的精準打擊。

模擬電磁曲射炮系統硬件由主控制器、識別、運動控制、電磁炮控制和人機交互等模塊構成，系統硬件總體框圖如圖2 所示。主控制器負責驅動各傳感器、執行相關運算并負責輸出控制信號。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，運行相關圖像處理算法，將獲得的結果發送給主控制器。運動控制模塊包括兩個大扭矩以及兩個普通舵機。人機交互模塊包括OLED顯示屏和紅外遙控接收發送裝置，實現模式選擇和相關信息的顯示。

圖2 系統硬件總體框圖

2.2 主控模塊

模擬電磁曲射炮系統主控模塊選用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 攝像頭系統進行通信，使系統獲取目標點的位置信息，實現對引導標識的獲取。

2.3 識別模塊

模擬電磁曲射炮系統識別模塊中包括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，靜態功耗低于2 mA，自帶溫度傳感器對測距結果進行矯正，同時具有GPIO、串口等多種通信方式，內帶看門狗，工作穩定可靠譜且精度較高。

OpenMV Cam H7 機器視覺模塊由板載微處理器STM32H743VI 和OV7725 攝像頭構成。其具有400MHz的主頻、1MB 的RAM 和2Mb 的Flash，可以使用MicroPython對其進行編程，實現機器視覺相關任務［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］等領域均獲得了應用。在本系統的設計中，通過對目標顏色識別，將獲取到的坐標點發送給主控芯片以進行后續的運算與處理。

2.4 運動控制模塊

模擬電磁曲射炮系統運動控制模塊由2 個小型舵機、2個大扭矩舵機組成。大扭矩舵機采用BLS-825 型舵機，該舵機在8.4 V電壓時具有3.5 N·m的扭矩，并且具有0.11 s/ 60°的相應速度。該舵機如圖4所示。

圖4 BLS-825型舵機

2.5 人機交互模塊

模擬電磁曲射炮系統人機交互模塊由一片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、節約微處理器的I/ O 口。OLED 屏幕用來顯示當前的模式和相關信息。

圖5 OLED屏幕

紅外遙控器使用NEC協議，數據格式為：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，數據中剩下的4 部分均由8 bit 數據組成。

2.6 電磁炮控制模塊

模擬電磁曲射炮系統電磁炮控制模塊由電磁炮控制電路組成，該電路具有40 mF電解電容構成儲能部分、一個OPA548 功率運放、一個SS8050 三極管構成可控充電部分、一個CSD19535 MOS管構成放電部分，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 功率運放搭建10 倍同相放大電路，通過采集單片機D/ AC輸出的電壓，并對電壓進行10 倍放大，作為電容的充電電壓，以達到控制電容能量作用；通過SS8050NPN 型三極管控制功率運放的E / S端，完成運放的通斷功能。

圖7 電磁炮控制電路原理圖

由數據手冊得知，該運放的輸出電流：

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

表2 舵機與STM32F407VGT6 接線方式

（3）識別模塊電路。OpenMV Cam H7 機器視覺模塊使用串口與STM32F407ZGT6 微處理器進行通信。OpenMV Cam H7 機器視覺模塊的VIN 引腳連接電源正極，使用5V電源進行供電，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）人機交互模塊電路。人機交互模塊中，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

基于機器視覺的模擬電磁曲射炮系統的硬件電路如圖8 所示。

圖8 系統硬件電路圖

3 系統軟件

模擬電磁曲射炮系統軟件設計部分主要包括STM32F407VGT6主程序設計、顏色追蹤功能的實現以及測距功能的實現。

3.1 主程序

模擬電磁曲射炮系統軟件設計采用狀態機的思想，主程序流程如圖9 所示。打開系統后，首先完成STM32 主控芯片的系統配置：初始化中斷優先級、定時器中斷、USART 中斷和相關I/ O 端口；之后對外設模塊進行初始化配置：OLED 顯示屏初始化。之后進入任務控制循環，通過等待紅外遙控輸入信號來進行任務的選擇。當TASK 被置為相應序號，則進行相應指令的執行。

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據傳輸到主控制芯片，并通過主控制芯片對坐標位置進行運算。

圖9 主程序流程圖

3.2 顏色追蹤功能實現

使用OpenMV Cam H7 機器視覺模塊實時監測引導標識的坐標信息，引導標識處設計為紅色，在周圍沒有其他紅色物體的場地，采用顏色追蹤的方式進行坐標識別。OpenMV使用MicroPython 進行編程，首先對攝像頭寄存器進行配置：使用RGB565 色彩模式和QVGA級別分辨率，關閉白平衡和自動增益。之后進入程序主循環，不斷進行色塊檢測并將色塊位置使用串口發送給STM32F407VGT6。USART 每次傳輸8 bit數據，攝像頭圖像平面坐標水平方向數據范圍為0 ～319，將水平方向數據拆成2 次進行發送，STM32F407VGT6 端將數據重新組合進行使用。

STM32F407VGT6接收到坐標信息后，進行數據校驗和濾波等預處理，接著進行坐標變換，然后驅動舵機1 進行轉動，直至檢測到引導標識位于圖像橫向正中心。

3.3 測距功能的實現

測距功能的實現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，引導標識位于圖像橫向正中心，此時攝像頭正對引導標識，攝像頭所成圖像與實際引導表示大小的關系如圖10 所示。

圖10 單目攝像頭測距原理圖

由于攝像頭內圖像呈現為像素點形式，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］。已知引導標識大小、所測圖像像素點大小以及相機焦距，可粗略估計引導標識距攝像頭距離的范圍［12-15］，并使其作為引導標識距超聲波傳感器精確距離的范圍，然后使舵機3 進行小范圍擺動并獲取超聲波傳感器的讀數，取超聲波傳感器在精處理的估計范圍中讀數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 的結構由鋁板構成，電磁炮支撐結構、云臺2 支撐結構由3D打印件組成。環形靶由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；環形靶引導標識為直徑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。并設定平均環數測試指標，換算公式為：平均環數=總環數/測試次數。

圖11 模擬電磁曲射炮實物圖

4.1 模擬電磁曲射炮測試

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

表6 手動環形靶打擊測試記錄表

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

4.2 模擬電磁曲射炮測試結果分析

通過多次測試，手動環形靶打擊平均環數為9.4環，自動環形靶打擊測試平均環數為9.35 環。實驗結果表明使用機器視覺追蹤引導標識精度高，并且測距精度高，手動打靶與自動打靶環數極為接近。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系模型建立精度較低，在電磁炮距引導標識235 ～240 cm時精度較低，偏差較大。

5 結 語

設計一種基于機器視覺的模擬電磁曲射炮實驗系統，該系統結合了機器視覺與顏色追蹤技術，實現了通過追蹤引導標識使電磁炮對環形靶精準打擊功能。系統使用較為簡單的方案實現了較高顏色追蹤以及環形靶打擊準確性。該系統應用于教學與實驗，可幫助學生更好地掌握電磁場和機器視覺領域相關知識。

整個系統仍有一定改進空間：通過更換云臺1 的舵機為步進電機，實現對云臺角度更精準的控制；通過增加對電磁炮電壓的控制，實現對電磁炮射擊距離的更精準控制。