機器視覺下模擬電磁炮系統的設計

高貝貝，郭寶軍，崔金龍

滄州交通學院，河北 滄州 061100

0 引言

電磁炮是利用電磁力把物體加速到擊中目標所需超高速的裝置，與傳統的火炮和火箭武器相比，電磁炮具有發射速度快、射程遠、精準度高、殺傷破壞力大等優點[1]。根據電磁發射器原理的不同，電磁發射器可分為軌道型、線圈型、電熱型[2]。文章設計的電磁炮為單線圈炮，主要研究標靶自動識別與電磁發射系統。

1 系統方案設計

模擬電磁曲線炮系統由微控制器最小系統、標靶自動識別系統、二自由度炮擊平臺系統、儲能系統和人機交互系統構成，總體設計結構框圖如圖1所示。選用意法半導體公司的STM32F103芯片作電磁炮系統的微控制器，通過二自由度平臺上的OpenMV機器視覺模塊自動識別環形標靶，OpenMV模塊與STM32微控制器之間通過串口通信實現數據的傳輸。電磁炮非發射狀態時，由直流穩壓電路通過BOOST升壓電路給超級電容充電[3]，電磁炮發射指令下達時，由繼電器控制電容的瞬間放電。利用4枚機械按鍵錄入發射前的參數數據，使用OLED屏顯示彈丸設定彈射距離、電容充電電壓狀態、二自由度平臺偏轉角度等信息。

圖1 總體設計結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 總體電路結構設計

使用7.2 V 2 000 mA的鎳鎘電池為系統設備提供電源，經過DC-DC降壓模塊輸出兩路5 V和3.3 V的直流源為電磁炮的微控制系統及系統外圍電路供電。二自由度平臺由2個MG995 7.2 V舵機驅動，OpenMV模塊架設在平臺上并通過2根串行通信線將數據傳回給STM32微處理器。利用BOOST升壓電路給超級電容充電，當電磁炮發射指令下達時，由繼電器控制電容的瞬間放電，使電磁線圈生磁。電磁炮發射系統的關鍵電路為儲能系統電路，下面僅對電容充電電路和電容放電電路進行介紹。

2.2 電容充電電路設計

升壓電路原理圖設計如圖2所示。U2-A處的LM358為過壓檢測保護電路，根據R10與R13串聯分壓監測JP4輸出高于400 V時，LM358的同相輸入端5引腳電壓高于反向輸入端6引腳電壓，U2-A輸出高電平，同時UC3843的2引腳電壓升高，從而降低輸出電壓。U2-B處的LM358為過流檢測電路，在MOS管限流電阻R15電流大于4.63 A時，U2-B的3引腳電壓大于2腳2.5 V分壓后獲得的0.1852 V，U2-B輸出高電平，通過Q2三極管拉低UC3843的1引腳電壓到0，導致UC3843的6引腳停止PWM輸出，實現過流保護。

圖2 升壓電路原理圖

2.3 電容放電電路設計

電容放電時需要用到大功率電子開關，采用單向可控硅70TPS12作為放電開關。通過由三極管構成的圖騰柱驅動電路驅動70TPS12單向可控硅導通，當三極管的基極接收到高電平脈沖后，圖騰柱的上管Q1導通觸發可控硅，隨后輸出低電平使Q3導通，繼電器接成常閉端；通過控制三極管Q4導通的信號，使繼電器的常閉端斷開。為了防止線圈電流反向擊穿可控硅，在其兩端并聯二極管D1，為線圈提供釋放能量的通路，同理，繼電器兩端也需并聯二極管D2。放電電路原理圖設計如圖3所示。

圖3 電容放電電路原理圖

3 軟件系統設計

3.1 程序思路設計

（1）模擬電磁炮系統的軟件設計采用模塊化編程方法，軟件源程序主要包括OpenMV模塊與STM32微控制器之間的串行通信子程序設計、二自由度平臺的X-Y軸舵機角度旋轉控制子程序設計、人家交互信息采集輸出子程序設計、儲能系統充放電控制子程序設計等。

（2）采用OLED屏顯示電磁炮的相關參數，如發射模式、電容監測電壓值、X-Y軸舵機旋轉角度值等。

（3）電磁炮的射程與電容的充電電壓值、炮管垂直傾角有關，因此可以通過設置Y軸舵機的傾角調整射擊距離，也可以控制超級電容的充電電壓值來調整射擊距離[4]。

（4）自動搜尋目標則利用OpenMV模塊識別彩色圖像，獲取標識在鏡頭中的相對坐標，若目標不在鏡頭的正中，則調節炮管的角度，直到炮管完全指向目標為止。為了快速且準確地命中目標，此過程運用增量式PID算法，調節炮管角度，形成閉環系統，極大地增加了系統的穩定性[5]。

3.2 主控程序設計

主控程序主要負責對外圍設備進行初始化，處理按鍵錄入的鍵值和OLED屏顯示的數據信息，接收OpenMV模塊傳送的標靶坐標信號，控制二自由度平臺的X-Y軸使炮管瞄準標靶，監測超級電容充電狀態，驅動儲能系統充放電繼電器。具體主程序設計流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 結束語

文章設計了一款基于機器視覺技術自動識別標靶的模擬電磁炮，選用意法半導體公司的STM32F103系列芯片作為電磁炮系統的微控制器，運用OpenMV模塊視覺算法識別環形標靶并引導炮臺射擊的目標，順應了人工智能時代的發展趨勢。對于提高目標跟蹤速度、縮小遠距離射擊誤差范圍，有待進一步研究改進。文章對電磁炮系統引入機器視覺技術進行了有益嘗試，希望能對未來產生應用價值。