基于機(jī)器視覺與AR的電磁炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

劉逸超 謝智鑫 何子瑨

摘要：本項(xiàng)目構(gòu)造出電磁炮的模擬系統(tǒng)，目的是構(gòu)建出一套完整的具有繼承性的電磁炮瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，具體實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)發(fā)射、智能控制調(diào)節(jié)、動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕捉功能，并在此基礎(chǔ)上利用AR技術(shù)構(gòu)造出虛擬環(huán)境下的電磁炮。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)目標(biāo)捕捉；AR技術(shù)；智能控制

一、背景介紹

電磁炮是一種遠(yuǎn)程、高能、多任務(wù)的武器，也是一種不太昂貴、具有高殺傷力和遠(yuǎn)程打擊能力的攻擊性武器。中國(guó)電磁武器的發(fā)展情況良好，性能已經(jīng)很先進(jìn)，射程能達(dá)600公里超美1倍，但是，如此高速和超遠(yuǎn)程的武器如何瞄準(zhǔn)卻成難題。此外，電磁炮的研究門檻極高，只有在從事國(guó)防事業(yè)的高端人士才有機(jī)會(huì)接觸，這使得在該領(lǐng)域無(wú)法廣集思路，有興趣的人無(wú)從動(dòng)手了解。

二、核心技術(shù)

1.電磁炮硬件模擬系統(tǒng)

為完成電磁炮的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，需要構(gòu)建一套符合實(shí)際情況的模擬電磁炮，由此瞄準(zhǔn)系統(tǒng)才有實(shí)際意義。經(jīng)計(jì)算，我們以1：100的比例搭建模擬系統(tǒng)，最大限度地還原實(shí)際情況。

采用STM32系列單片機(jī)作為主控芯片，電磁炮的定位、瞄準(zhǔn)程序基本在此完成。其具有執(zhí)行代碼效率高,工作頻率高，外設(shè)資源豐富，I/O口資源豐富等眾多優(yōu)點(diǎn)，適用于本系統(tǒng)。

電壓方面使用低壓方案。以安全性和合法性考慮，系統(tǒng)的發(fā)射能量滿足要求即可，因此用于模擬系統(tǒng)所需的初速度不需要太大，且低壓狀態(tài)下增加電容數(shù)量也能放出大電流。此方法降低了升壓的難度，低壓狀態(tài)下系統(tǒng)也較為安全。

供電上使用普通電解電容供電，MOS管作為開關(guān)。由電磁炮原理可知，我們需要給線圈一次短暫的通電，來(lái)提供電磁力推動(dòng)彈丸。直流電供電慢，無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)提供大電流，因此使用電解電容。電解電容具有放電速度極快的特點(diǎn)，能夠瞬間放出大量電流，使線圈在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)彈丸發(fā)射。且MOS管具有很高的開斷速度，適合用于本系統(tǒng)，單片機(jī)通過(guò)輸出的脈沖寬度即可控制彈丸發(fā)射的初速度。

2.控制動(dòng)態(tài)算法：

電磁驅(qū)動(dòng)器和系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)制作出適合電磁炮發(fā)射的驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)狀態(tài)反饋控制，PID 控制等算法，驅(qū)動(dòng)電磁炮實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)精確；

自適應(yīng)PID控制算法：輸入或識(shí)別得到的距離d，通過(guò)PID算法，調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出的PWM波，以此調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)角。比例算法反映的是當(dāng)前狀態(tài)的情況,也就是目標(biāo)距離d與落地點(diǎn)X的差值(Ek=d-X),Pout=Kp*(d-X),Kp為比例系數(shù),在本系統(tǒng)最佳比例系數(shù)Kp=0.5。積分算法反映的是過(guò)去狀態(tài)的情況,也就是目標(biāo)距離d與落地點(diǎn)X差值的積分比例的情況,Iout=Ki*Ti*SEK，本系統(tǒng)最佳比例系數(shù)Ki=0.1，微分算法反映的對(duì)未來(lái)情況的預(yù)測(cè)即Dout=Kd*Td* DelEk(DelEk=Ek-Ek)?？紤]到當(dāng)僅存在比例算法時(shí)若調(diào)節(jié)達(dá)到了預(yù)設(shè)值將會(huì)失去比例調(diào)節(jié)的作用,此時(shí)應(yīng)該有其它的調(diào)節(jié)部分來(lái)彌補(bǔ),且本系統(tǒng)不需要微分調(diào)節(jié)，故本系統(tǒng)最終采用的是比例加上積分的算法模式。

卡爾曼濾波算法：卡爾曼濾波是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。運(yùn)用此算法能夠從一系列存在測(cè)量噪聲的數(shù)據(jù)中，估計(jì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài). 由于, 它便于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn), 并能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的更新和處理, 有利于增加控制電磁炮精度，提高發(fā)射準(zhǔn)確度。

3.基于HSV模型的機(jī)器視覺算法

該算法的基礎(chǔ)方面是利用OpenMV進(jìn)行顏色識(shí)別，以紅色為例，我們需要通過(guò)顏色識(shí)別算法將圖片中的紅色區(qū)域同背景分開，但是在實(shí)際情況中，視野中可能還存在其他的紅色背景，所以在分割的時(shí)候還需要將這些噪聲去除。為此我們使用HSV模型，攝像頭采集的圖像是基于RGB空間的,因此可以通過(guò)對(duì)應(yīng)算法,完成RGB到HSV空間的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而將圖片分割出來(lái)，為了解決顏色分割后出現(xiàn)的噪聲，利用中值濾波去除面積較小的點(diǎn)狀噪聲，后采用區(qū)域生長(zhǎng)方法濾除較大噪聲。完成了圖像的分割，才能夠?qū)D像進(jìn)行代數(shù)處理。

4.基于AR技術(shù)的虛擬電磁炮

本項(xiàng)目借助 Vuforia SDK來(lái)實(shí)現(xiàn)識(shí)別模塊功能，同時(shí)利用Smart Terrain可以在AR環(huán)境下對(duì)物理環(huán)境進(jìn)行重構(gòu)。該功能支持識(shí)別并跟蹤現(xiàn)實(shí)世界的物體與表面，并將識(shí)別后的對(duì)象用作Unity中的地形，更好地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)和虛擬的融合。

三、創(chuàng)新點(diǎn)與項(xiàng)目特色

1.項(xiàng)目創(chuàng)新性引入AR技術(shù)，將模擬系統(tǒng)與虛擬系統(tǒng)相結(jié)合，在虛擬環(huán)境下可提前模擬出真實(shí)電磁炮的發(fā)射路線以及對(duì)應(yīng)的模型的景觀,進(jìn)而可以提前對(duì)電磁炮進(jìn)行選型和參數(shù)的調(diào)整，有利于節(jié)約大量成本，減少誤差。同時(shí)虛擬電磁炮能以軟件形式發(fā)表出去，突破空間、時(shí)間以及其它客觀限制,讓廣大愛好者都能參與研究與討論。

2.項(xiàng)目創(chuàng)新性加入目標(biāo)跟蹤算法，提升了視覺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。利用 OpenMV 完成圖像采集，通過(guò)微處理器對(duì)采集圖像做圖像處理、目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)、目標(biāo)跟蹤等，及時(shí)將位置反饋于單片機(jī)，在擬合出物體的運(yùn)動(dòng)軌跡以后，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的下一時(shí)刻位置坐標(biāo)，最后利用 PID 算法由微處理器輸出 PWM 波、控制云臺(tái)系統(tǒng)，從而達(dá)到對(duì)運(yùn)動(dòng)物體實(shí)時(shí)跟蹤的目的。

3.本項(xiàng)目將機(jī)器視覺與AI算法引入到軍事領(lǐng)域中，使電磁炮的瞄準(zhǔn)更加智能化，能夠更加精準(zhǔn)的識(shí)別圖片和物體并捕捉信息，并自動(dòng)擬合出軌跡路徑并選擇最優(yōu)途徑，同時(shí)機(jī)器視覺算法融合提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，面對(duì)現(xiàn)實(shí)世界各種復(fù)雜情況能夠正確應(yīng)對(duì)，未來(lái)可實(shí)現(xiàn)人工智能控制。

四、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)有興趣研究模擬電磁炮的廣大受眾。本設(shè)計(jì)的內(nèi)容是模擬電磁炮與機(jī)器視覺和人工智能結(jié)合的一次大膽創(chuàng)新，不但使學(xué)生接觸該學(xué)科的前沿領(lǐng)域，進(jìn)一步加深對(duì)自身所學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用，而且培養(yǎng)了其創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)以及團(tuán)隊(duì)合作能力，實(shí)施范圍可以擴(kuò)展至全國(guó)甚至于軍事院校，只要一套模擬電磁炮，就可實(shí)現(xiàn)虛擬的模擬以及感受，使得廣泛愛好者以及學(xué)習(xí)者受益其中。

五、參考文獻(xiàn)

【1】 譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012

【2】? 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分（第四版）[M].高等教育出版,2000

【3】? 陳萍.現(xiàn)代通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真[M]?.北京:?國(guó)防工業(yè)出版社,2003

【4】? 劉軍.例說(shuō)STM32.[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009

【5】 王維平.現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用[M].東南大學(xué)出版社，2001

【6】? 馬忠梅.單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2013