基于OpenMV的遠程拋射系統(tǒng)設計與實現

李嘉明 溫梓南 馮建 徐操喜

摘要：該文結合機器視覺技術和電子控制技術，設計了一款基于OpenMV的遠程拋射系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括直流降壓電源模塊、OpenMV模塊、舵機模塊、電容充放電模塊、繼電器模塊，系統(tǒng)能識別攝像頭所拍攝圖像內的目標色塊，并自動完成拋射方向的校準和彈丸的發(fā)射。實驗數據表明，拋射炮口與目標參考點在水平方向上分別偏移了15°、30°、45°時，系統(tǒng)均能完成自動追蹤，并能精準拋射到預定目標點。

關鍵詞：機器視覺;電子控制;OpenMV;舵機;自動追蹤

中圖分類號：TP301? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）01-0131-03

常規(guī)物體拋射器發(fā)射裝置的動力來源于火藥燃氣或壓縮氣體，采用這種動力進行拋射，存在著安全系數低、動力輸出不可控等問題。電磁炮可以利用電磁能推動物體運動[1]，在動力拋射器中用電磁驅動方式代替壓縮氣體或者火藥燃氣，能顯著提高安全性能。與傳統(tǒng)的火藥推動的大炮相比，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。

目前，國內的電磁炮技術正在逐漸發(fā)展，但是仍存在精度不夠等問題[2]。設計小型化、便攜式的智能電磁炮，具有一定的現實意義[3-5]。本文主要對模擬電磁炮的控制系統(tǒng)進行研究，運用圖像處理的相關方法，掃描并識別攝像頭監(jiān)控范圍內的目標，實現電磁拋射器自動、精準地鎖定拋射方向。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計可分為拋射系統(tǒng)機械部分的設計和硬件控制部分的設計。

機械設計部分由纏繞了若干線圈的PVC管、亞克力材質的支架、磁性彈丸組成。這種電磁炮屬于線圈炮，以同步線性馬達的方式將磁性拋射物加速到極高的速度，炮管內的彈丸獲得足夠大的動能并被發(fā)射出去。

硬件控制部分由直流降壓電源模塊、OpenMV模塊、舵機模塊、電容充放電模塊、繼電器模塊組成，設計框圖如圖1所示。其中，OpenMV模塊的主控芯片是STM32F767，并且板載一個攝像頭，攝像頭能夠實時讀取當前所拍攝的畫面，主控芯片檢測到后，識別目標并計算目標點坐標軸偏移量，輸出PWM驅動舵機轉動，攝像頭也隨之轉動，當攝像頭對準目標參考點后，主控芯片輸出控制信號改變繼電器的狀態(tài)，觸發(fā)大電容放電，使繞制在PVC管上的線圈產生交變電流，從而將彈丸發(fā)射出去。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 直流降壓電源模塊

直流降壓電源模塊負責為OpenMV模塊、舵機模塊、繼電器模塊供電，將9V電池提供的輸入電壓轉換成5V輸出電壓，用作系統(tǒng)的電源。所選的直流降壓模塊主芯片是廣泛應用于航模的電源管理芯片MP1584EN，可分為輸出電壓可調和輸出電壓固定兩類。本文所選用的直流降壓模塊屬于輸出電壓固定為5V，輸入的直流電壓范圍為7V-28V。因為模塊內有穩(wěn)壓芯片AMS1117，所以輸出電壓有5V和3.3V兩種。

2.2 OpenMV模塊

OpenMV是一個開源的機器視覺模塊，以STM32F767為主控芯片，擁有豐富的硬件資源，引出UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴展外圍功能。OpenMV還集成了OV7725攝像頭芯片，內置了C語言實現的核心機器視覺算法，并提供了Python編程接口，支持micropython的語法。內置的機器視覺算法包括尋找色塊、人臉檢測、眼球跟蹤等，可用來實現非法入侵檢測、產品的殘次品篩選、跟蹤固定的標記物等應用場合。在OpenMV開發(fā)板上進行開發(fā)無須專用的下載器和調試器，板上的USB接口可用于連接電腦上的集成開發(fā)環(huán)境OpenMVIDE，協助完成編程、調試和更新固件等工作。

2.3 舵機模塊

舵機模塊的型號是mg995，屬于數碼舵機，工作電流100mA，工作電壓3V-7.2V，工作扭矩為13kg/cm，具有三根輸出線，分別是接電源正極、電源負極、信號線。信號線與單片機的I/O引腳相連接，接收單片機發(fā)出的PWM控制信號。舵機的控制一般需要一個20毫秒的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5毫秒～2.5毫秒。高電平部分持續(xù)的時間越長，則占空比越大，舵機轉動的角度也越大。因此，通過控制單片機I/O引腳輸出不同占空比PWM信號，可以驅動電機轉動不同的角度，以達到調整炮管指向的目的。

2.4 繼電器模塊

本系統(tǒng)采用工作電壓為5V的電磁繼電器，來實現對電磁炮彈丸發(fā)射的控制需求。OpenMV模塊的一個輸出引腳經過限流電阻接入三極管的基極，當該輸出引腳輸出低電平時，三極管基極的輸入電壓趨近于0V，三極管截止，繼電器線圈無電流流過，繼電器處于釋放狀態(tài)。反之，當控制引腳輸出高電平時，三極管導通，此時足夠大的電流流過繼電器線圈，繼電器銜鐵處于吸合狀態(tài)，改變輸出端觸點的連接，從而使大電容放電，彈丸瞬間獲取足夠大的動能發(fā)射出去。

2.5 電容充放電模塊

電容充放電模塊上有兩個按鍵，分別是S1和S2，使用單獨的電池給大電容提供電能，配合直流升壓電路完成大電容的充電過程。充電時，需按下開關按鍵S1導通電路，大電容開始充電。當大電容充滿電后，可使用手動控制或者自動控制啟動大電容的放電過程。手動控制即按下按鍵S2，大電容迅速放電為線圈充能，使炮管中的彈丸獲得足夠的動能而發(fā)射出去。自動控制是結合OpenMV和繼電器模塊來完成，發(fā)射彈丸時OpenMV改變相應輸出引腳的電平信號，改變繼電器觸點的接通狀態(tài)，實現與手動按下按鍵S2相同的效果。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件總設計

系統(tǒng)軟件總體設計流程圖如圖2所示，系統(tǒng)上電后，首先進行各模塊的初始化，包括舵機控制引腳的配置、感光模塊sensor的配置、關閉自動白平衡等操作。模塊初始化完成后系統(tǒng)進入目標識別的階段，OpenMV攝像頭采集圖像數據并發(fā)送給主控芯片處理，若目標識別不成功，則重新進行目標識別，否則進入姿態(tài)調整階段。在姿態(tài)調整階段，OpenMV將會根據目標識別階段計算的偏移量換算成偏移的角度值，再轉換成相應的PWM信號輸出，驅動舵機轉動，使得攝像頭對準目標參考點。

3.2 目標識別

采用圓形色塊模擬目標點，參考點為圓形色塊的圓心，將色塊置于攝像頭能拍攝的范圍內，OpenMV實時獲取攝像頭所拍攝的圖像，目標識別階段的軟件流程圖如圖3所示。首先，設定色塊的閾值，使用的顏色模型是Lab，L表示顏色的亮度，a和b是色彩通道，a值越大，越接近紅色，負數a值越小，顏色偏綠，b值越大，越接近黃色，負數b值越小，顏色偏藍，分別設定L、a、b的最小值和最大值，圖像中的色塊顏色只有在所設定的最大值和最小值區(qū)間，才會被當作有效色塊進行處理。隨后迭代尋找圖像中的最大色塊，計算出最大色塊的圓心坐標和修正參數，完成目標的識別。

3.3 姿態(tài)調整

OpenMV識別到有效色塊后，便會運行姿態(tài)調整的程序，根據目標識別階段得出的修正參數，判斷是否需要發(fā)送轉動舵機的指令以及轉動的度數，程序流程圖如圖4所示。首先設定PID算法的參數，PID是比例、積分、微分的縮寫，將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制。合理地設置PID算法中各個環(huán)節(jié)的參數，可以避免控制過沖或不足的現象，并且達到較理想的響應速度。結合PID算法，將修正參數轉換成相應的PWM波驅動舵機轉動。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)軟硬件開發(fā)完畢后，將各部件組裝調試，實物圖如圖5所示。

為測試系統(tǒng)自動識別目標的有效性和發(fā)射彈丸擊中參考點的準確性，設計了如下實驗。在距離攝像頭50厘米處豎直放置了打印有圓形色塊的紙張，攝像頭與炮口的方向一致，當攝像頭在水平方向上正對色塊中心時，認為系統(tǒng)與目標點水平偏移的角度為0度。設計對照實驗，紙張上的色塊均為顏色相同且直徑為13厘米的圓，設置攝像頭與色塊中心的水平方向上的偏移角度分別為15°、30°、45°，在每一種偏移角度下，運行系統(tǒng)使得OpenMV自動識別并轉動舵機與色塊中心點對齊，對齊后驅動繼電器將充滿電的電容放電，發(fā)射彈丸，每種偏移角度測量三次，記錄落在色塊紙張上彈丸的落點與圓心的距離，實驗結果如表1所示。

從表1的結果中可知，不同偏移角度經過OpenMV的自動識別追蹤之后，所發(fā)射的彈丸均落在圓形色塊內，落點偏離圓心的距離均在4.7厘米以內，小于色塊的半徑6.5厘米。在攝像頭與目標色塊偏移不同角度的情況下，系統(tǒng)均能自動完成目標的自動追蹤和精準射擊，系統(tǒng)功能達到預期要求。

5 結束語

本文設計并實現了自動追蹤目標的模擬電磁炮系統(tǒng)，借助OpenMV以及Python的圖像處理庫識別圖像中的目標，根據預存的Lab顏色模型閾值判斷是否為目標色塊，識別到目標色塊后提取出目標的橫縱坐標的位置信息，并最終換算成舵機轉動的修正參數。實驗數據表明，本系統(tǒng)能有效地識別圓形色塊、控制舵機轉動、發(fā)射模擬電磁炮彈丸，對新型動力拋射系統(tǒng)的發(fā)展具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 蘇瑞，于浩，周沛澤，等.基于openmv的電磁炮智能控制系統(tǒng)[J].科技視界，2019（30）：47，50.

[2] 徐靖琛，匡迎春，王豪杰.模擬電磁曲射炮射擊智能控制系統(tǒng)[J].現代計算機，2019（34）：28-31，40.

[3] 黃佳琪，王善偉，毛凌青，等.智能模擬電磁炮控制系統(tǒng)設計[J].電腦知識與技術，2020，16（5）：225-226.

[4] 林政宇，王福杰，秦毅，等.基于OpenMV視覺伺服的高精度電磁炮實驗裝置系統(tǒng)[J].中小企業(yè)管理與科技（中旬刊），2021（4）：182-183.

[5] 劉賽南，李東升，何月陽，等.智能掃描定位電磁炮設計[J].科學技術創(chuàng)新，2020（31）：79-81.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2021-10-15

基金項目：一種新型動力的救援物資拋射器研究與實現（校級科研課題）

作者簡介：李嘉明（1993—），男，廣東梅州人，碩士，研究方向為物聯網技術;溫梓南（1998—），男，廣東番禺人，大專，研究方向為物聯網技術;馮建（1983—），男，廣東高州人，實驗師，碩士，研究方向為嵌入式與自動控制;徐操喜（1983—），男，安徽潛山人，講師，碩士，研究方向為物聯網技術、職業(yè)教育。

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