機(jī)器視覺(jué)下模擬電磁炮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高貝貝，郭寶軍，崔金龍

滄州交通學(xué)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(biāo)所需超高速的裝置，與傳統(tǒng)的火炮和火箭武器相比，電磁炮具有發(fā)射速度快、射程遠(yuǎn)、精準(zhǔn)度高、殺傷破壞力大等優(yōu)點(diǎn)[1]。根據(jù)電磁發(fā)射器原理的不同，電磁發(fā)射器可分為軌道型、線圈型、電熱型[2]。文章設(shè)計(jì)的電磁炮為單線圈炮，主要研究標(biāo)靶自動(dòng)識(shí)別與電磁發(fā)射系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

模擬電磁曲線炮系統(tǒng)由微控制器最小系統(tǒng)、標(biāo)靶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)、二自由度炮擊平臺(tái)系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)構(gòu)成，總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103芯片作電磁炮系統(tǒng)的微控制器，通過(guò)二自由度平臺(tái)上的OpenMV機(jī)器視覺(jué)模塊自動(dòng)識(shí)別環(huán)形標(biāo)靶，OpenMV模塊與STM32微控制器之間通過(guò)串口通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。電磁炮非發(fā)射狀態(tài)時(shí)，由直流穩(wěn)壓電路通過(guò)BOOST升壓電路給超級(jí)電容充電[3]，電磁炮發(fā)射指令下達(dá)時(shí)，由繼電器控制電容的瞬間放電。利用4枚機(jī)械按鍵錄入發(fā)射前的參數(shù)數(shù)據(jù)，使用OLED屏顯示彈丸設(shè)定彈射距離、電容充電電壓狀態(tài)、二自由度平臺(tái)偏轉(zhuǎn)角度等信息。

圖1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用7.2 V 2 000 mA的鎳鎘電池為系統(tǒng)設(shè)備提供電源，經(jīng)過(guò)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(tǒng)及系統(tǒng)外圍電路供電。二自由度平臺(tái)由2個(gè)MG995 7.2 V舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，OpenMV模塊架設(shè)在平臺(tái)上并通過(guò)2根串行通信線將數(shù)據(jù)傳回給STM32微處理器。利用BOOST升壓電路給超級(jí)電容充電，當(dāng)電磁炮發(fā)射指令下達(dá)時(shí)，由繼電器控制電容的瞬間放電，使電磁線圈生磁。電磁炮發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵電路為儲(chǔ)能系統(tǒng)電路，下面僅對(duì)電容充電電路和電容放電電路進(jìn)行介紹。

2.2 電容充電電路設(shè)計(jì)

升壓電路原理圖設(shè)計(jì)如圖2所示。U2-A處的LM358為過(guò)壓檢測(cè)保護(hù)電路，根據(jù)R10與R13串聯(lián)分壓監(jiān)測(cè)JP4輸出高于400 V時(shí)，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(shí)UC3843的2引腳電壓升高，從而降低輸出電壓。U2-B處的LM358為過(guò)流檢測(cè)電路，在MOS管限流電阻R15電流大于4.63 A時(shí)，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(guò)Q2三極管拉低UC3843的1引腳電壓到0，導(dǎo)致UC3843的6引腳停止PWM輸出，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

圖2 升壓電路原理圖

2.3 電容放電電路設(shè)計(jì)

電容放電時(shí)需要用到大功率電子開(kāi)關(guān)，采用單向可控硅70TPS12作為放電開(kāi)關(guān)。通過(guò)由三極管構(gòu)成的圖騰柱驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)70TPS12單向可控硅導(dǎo)通，當(dāng)三極管的基極接收到高電平脈沖后，圖騰柱的上管Q1導(dǎo)通觸發(fā)可控硅，隨后輸出低電平使Q3導(dǎo)通，繼電器接成常閉端；通過(guò)控制三極管Q4導(dǎo)通的信號(hào)，使繼電器的常閉端斷開(kāi)。為了防止線圈電流反向擊穿可控硅，在其兩端并聯(lián)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(lián)二極管D2。放電電路原理圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電容放電電路原理圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 程序思路設(shè)計(jì)

（1）模擬電磁炮系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、二自由度平臺(tái)的X-Y軸舵機(jī)角度旋轉(zhuǎn)控制子程序設(shè)計(jì)、人家交互信息采集輸出子程序設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制子程序設(shè)計(jì)等。

（2）采用OLED屏顯示電磁炮的相關(guān)參數(shù)，如發(fā)射模式、電容監(jiān)測(cè)電壓值、X-Y軸舵機(jī)旋轉(zhuǎn)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(guān)，因此可以通過(guò)設(shè)置Y軸舵機(jī)的傾角調(diào)整射擊距離，也可以控制超級(jí)電容的充電電壓值來(lái)調(diào)整射擊距離[4]。

（4）自動(dòng)搜尋目標(biāo)則利用OpenMV模塊識(shí)別彩色圖像，獲取標(biāo)識(shí)在鏡頭中的相對(duì)坐標(biāo)，若目標(biāo)不在鏡頭的正中，則調(diào)節(jié)炮管的角度，直到炮管完全指向目標(biāo)為止。為了快速且準(zhǔn)確地命中目標(biāo)，此過(guò)程運(yùn)用增量式PID算法，調(diào)節(jié)炮管角度，形成閉環(huán)系統(tǒng)，極大地增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

3.2 主控程序設(shè)計(jì)

主控程序主要負(fù)責(zé)對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行初始化，處理按鍵錄入的鍵值和OLED屏顯示的數(shù)據(jù)信息，接收OpenMV模塊傳送的標(biāo)靶坐標(biāo)信號(hào)，控制二自由度平臺(tái)的X-Y軸使炮管瞄準(zhǔn)標(biāo)靶，監(jiān)測(cè)超級(jí)電容充電狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電繼電器。具體主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了一款基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)自動(dòng)識(shí)別標(biāo)靶的模擬電磁炮，選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103系列芯片作為電磁炮系統(tǒng)的微控制器，運(yùn)用OpenMV模塊視覺(jué)算法識(shí)別環(huán)形標(biāo)靶并引導(dǎo)炮臺(tái)射擊的目標(biāo)，順應(yīng)了人工智能時(shí)代的發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于提高目標(biāo)跟蹤速度、縮小遠(yuǎn)距離射擊誤差范圍，有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。文章對(duì)電磁炮系統(tǒng)引入機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行了有益嘗試，希望能對(duì)未來(lái)產(chǎn)生應(yīng)用價(jià)值。