自動(dòng)識(shí)別打擊的智能電磁曲射炮系統(tǒng)

劉安彬 向勁松 張 江

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶400074）

1 系統(tǒng)功能概述

本系統(tǒng)由STM32 控制模塊、攝像頭模塊、電磁炮充放電模塊、云臺(tái)模塊、電源模塊、顯示模塊、激光測(cè)距模塊等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電；電磁炮自動(dòng)充放電模塊由繼電器、逆變器等組成，通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁炮自動(dòng)充放電；攝像頭模塊對(duì)目標(biāo)進(jìn)行初步識(shí)別，結(jié)合激光測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確定位；云臺(tái)由舵機(jī)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁炮射擊方向的控制；同時(shí)將相關(guān)信息發(fā)送給oled 顯示模塊，對(duì)一些必要信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 圖像識(shí)別模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于標(biāo)識(shí)物的識(shí)別主要是通過(guò)標(biāo)識(shí)物具有的顏色與形狀等特征點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別。本系統(tǒng)的OpenMV 攝像頭采用三基色原理進(jìn)行顏色識(shí)別，用基色光單位來(lái)表示光的量，任意色光F 都可以用R、G、B 三色不同分量相加混合而成，通過(guò)識(shí)別R、G、B 的值實(shí)現(xiàn)顏色判別。其顏色識(shí)別算法采用find_blobs 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)本系統(tǒng)的形狀識(shí)別是通過(guò)攝像頭模塊首先保存標(biāo)識(shí)物的形狀大小等信息，然后運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)提取圖片中物體的特征點(diǎn)與保存標(biāo)識(shí)物特征點(diǎn)相比較實(shí)現(xiàn)形狀識(shí)別，其形狀識(shí)別算法采用find_keypoint 函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

2.2 電磁炮充放電模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電磁炮自動(dòng)充放電功能所設(shè)計(jì)的電路圖如圖2 所示。

電源經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電再經(jīng)過(guò)整流為電容供能，通過(guò)控制模塊控制繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)電容充電。當(dāng)充電完成后收到發(fā)射指令就控制放電部分電路繼電器閉合進(jìn)行射擊。

2.3 激光測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

激光測(cè)距原理是通過(guò)向前方射出一束很細(xì)的激光，由光電元件接收目標(biāo)反射的激光束，然后測(cè)量激光在空氣中行走的時(shí)間來(lái)精確計(jì)算出目標(biāo)距離。本系統(tǒng)激光測(cè)距模塊主要是使用鋸齒波雷達(dá)激光測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)激光測(cè)距功能。其測(cè)距原理如圖3所示。

從圖3 的原理圖可得出本振信號(hào)的角頻率在一個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式并對(duì)角頻率積分得到本振信號(hào)的相位為：

利用相位得到本振信號(hào)的函數(shù)然后經(jīng)目標(biāo)反射后被光電探測(cè)器所探測(cè)的發(fā)射光信號(hào)的角頻率、相位得到函數(shù)表達(dá)式為：

利用拍頻信號(hào)的電場(chǎng)強(qiáng)度并對(duì)拍頻信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度的相位進(jìn)行求導(dǎo)，得到拍頻信號(hào)的頻率為：

最終得到距離公式：

3 理論分析計(jì)算

3.1 初始動(dòng)能計(jì)算

電磁炮炮丸所含動(dòng)能越大其發(fā)射距離也隨之而增加，而電磁炮所含動(dòng)能由電容所決定。電容儲(chǔ)能公式為：W = 0.5CU?，由公式可知電容兩端電壓越高，儲(chǔ)存能量越高。本系統(tǒng)選用逆變器將12V 輸入電壓轉(zhuǎn)變成220v 電壓，同時(shí)選用兩個(gè)450V，1000uf 的電容并聯(lián)作為儲(chǔ)能元件，可知電容最大儲(chǔ)能為W=48.4J。

3.2 彈道分析計(jì)算

根據(jù)電磁曲射炮發(fā)射狀態(tài)分析，電磁炮射出彈丸的軌跡可運(yùn)用物理拋物線(xiàn)計(jì)算出炮彈的彈道。通過(guò)分析彈丸軌跡，將炮管的傾角、拋射高度以及距離進(jìn)行整合及運(yùn)算。其彈道如圖4所示。

圖4 炮丸彈道分析圖

設(shè)炮管與水平地面的傾角為α，子彈剛出管口時(shí)的速度為ν，炮口相對(duì)于地面的豎直落差為h，加速度為重力加速度g=9.8N Kg水平速度與垂直速度進(jìn)行求解如下：

炮丸落地所需時(shí)間t 為：

炮丸落地距離s 為：

結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以STM32 為主控芯片控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，使用攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)識(shí)物定位識(shí)別，用激光測(cè)距模塊對(duì)標(biāo)識(shí)物與電磁炮距離準(zhǔn)確測(cè)量，并且將電磁炮架設(shè)在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的炮臺(tái)之上實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)識(shí)物打擊，使用繼電器實(shí)現(xiàn)弱電控制電磁炮的充放電，最后還使用矩陣鍵盤(pán)與顯示模塊實(shí)現(xiàn)電磁炮自動(dòng)識(shí)別定位與充能打擊功能。