智能模拟电磁炮控制系统设计

来源:用户上传      作者:黄佳琪 王善伟 毛凌青 陈金江

　　摘要：该文阐述了由STM32F103C8T6为主控，以openmv4为图像处理模块的电磁炮控制系统的设计与实现。通过openmv4对引导标识的图像识别捕获处理得到目标点的水平偏角及距离。通过AD分压采样与mos管充电开关配合控制电容充电电压，建立电容电压与电磁炮发射距离之间的数学模型，通过调节电容电压值使炮弹落点到指定位置。最终测试结果表明，该系统能自动获取3m内的引导标识信息，并且实现精准射击。
　　关键词：自动捕获;数学模型;控制电压;电磁炮
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A
　　文章编号：1009-3044（2020）05-0225-02
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　随着现代科技的发展与作战战术的发展，小型智能导弹需求增加，微系统、一体化技术的应用为低成本精确制导武器的发展提供了可能性[1]。为了让电磁炮能更加广泛地用于日常，具有更多现实意义，设计小型化、便携式的智能化电磁炮是十分有必要的。本设计研究智能模拟电磁炮控制系统，可通过手动输入目标距离与水平偏角或使其通过图像处理自动捕获目标并获取水平偏角与距离，随后一键式启动发射，能够精准击中目标点。
　　1 系统总体方案设计
　　系统总体框图如图1所示，矩阵键盘与OLED屏作为人机交互部分，用于设置距离和偏角;openmv4为图像处理模块，用于识别目标靶并计算靶心与电磁炮间距离与水平偏角，从而控制舵机云台两个维度的转动，调整发射水平角度与仰角使炮管对准目标;stm32f103c8t6为主控芯片，通过12位AD分压采样并计算大电容两端电压，建立电压值与电磁炮射程的数学关系，判断电容电压值是否达到目标距离对应的电压值，若达到预定值则断开充电开关，开启放电开关，电磁炮发射，使弹丸打到指定位置。
　　2 系统硬件设计
　　硬件电路主要包括以下四部分：控制及其外围电路、电容充电与ADC采样电路、电容充电开关电路、电容放电开关电路。
　　2.1 电容充电电路
　　电容充电电路如图2所示，大电容采用lOOOOuF/IOOV电容，该电容耐压为IOOV，在其两端做ADC采样分压电路，用3.3V-5V的稳压管保护微控制器，利用50欧的功率电阻使其充电速度变缓易于控制。
　　2.2 电容充电开关电路
　　电容充电开关电路如图3所示，采用光耦将微控制器与给电容充电开关隔离避免操作失误使微控制器烧毁;用MOS管作为开关电路，MOS管为电压驱动型，有电压就能够导通，多用于大功率，大电流电压的情况下;并用LED指示器是否正常工作。
　　2.3 电容放电开关电路
　　电容放电开关电路如图4所示，由于电磁炮在放电的瞬间会产生极大的电流，采用25A大功率继电器去控制放电，而用微控制器的10口驅动三极管让12V的继电器导通使电容放电，LED灯指示其是否正常工作。
　　2.4 控制及其外围电路
　　本系统有两个控制器，以STM32F103C8T6为主控，openmv用于图像处理与舵机控制，它们之间用串口通信，控制键盘、OLED屏、两个开关电路，STM32单片机10口分配如表1所示。
　　3 系统软件设计
　　本系统是双控制器的，stm32主要是用于控制电容的充放电与人机交互部分，openmv主要是用于图像处理与舵机的控制。openmv通过串口与stm32相连，当系统需要使用openmv时，stm32会通过串口发送信息给openmv，openmv进行一系列控制之后再将“完成”的应答信息返回给stm32，stm32再进行相关控制。
　　3.1 STM32程序设计
　　系统上电后初始化硬件设备，通过串口解析openmv图像处理信息，通过按键获取当前工作模式，进入相应工作状态，通过比较AD采样值与当前目标距离对应电压值判断是否开炮，流程图如图5所示。
　　为了防止由于执行某项工作花费时间过长而导致系统稳定性较差，stm32f103c8t6通过SYstick定时器为串口检测及解析、按键检测、OLED屏显示、开炮工作四个任务中依次切换提供调度硬件，各任务可被分配数ms时间进行工作，需要一个Systick来产生周期性的中断，作为整个系统的时基，而且不能让用户程序随意访问它的寄存器，以维持操作系统“心跳”的节奏[2]。
　　3.2 0penmv程序设计
　　通过openmv自带的感光芯片采集图像数据，在原图像中寻找与在预值范围内的像素点，预值为LAB颜色空间L、A、B三通道值的范围，在openmv编程时预先设定好，该范围正好是靶标在光线影响下的颜色变化范围。对这些像素点进行高斯平滑滤波，防止噪声的干扰[3]，找出图像中这些像素点所组成的最大色块，并计算出色块中心在图像中的坐标位置，并调用pid算法控制舵机转动，使其坐标与目标坐标一致，从而使得炮口等对准环形靶，完成所有控制。通过获得引导标识的像素点从而获取目标距离，为减少像素点的丢失导致误差的加大，选择只测量在横纵坐标差别最大的像素点减少误差。最后向stm32返回目标距离与水平偏角。程序流程图如图6所示。
　　4 结束语
　　本文设计的电磁炮能够在手动输入距离与偏移角度时实现精准射击功能，还具有在一定范围内移动目标耙后，自动追踪靶标并击中靶标功能，且系统具有重量轻，规模小，发射时无后坐力等优点，此外，电磁炮在运行时电流大，电压大，本系统特别设计了保护电路，以确保使用安全。且系统成本低，易于实现。模块化的设计，提高了实际应用中选择的灵活性。因此，具有广泛市场前景。
　　参考文献：
　　[1]李阳，秦涛，朱捷，等.电磁轨道炮发展趋势及其关键控制技术[Jl.现代防御技术，2019，47（04）：19-23.
　　[2]李立春，刘卓.基于ARM Cortex-M3的SysTick解析[J].吉林化工学院学报，2015，32（01）：36-39.
　　[3]顾子侣，陈智强，赵磊，等.电磁炮作为无人机武器系统的设计原理[J].电子制作，2018（18）：7-8.
　　【通联编辑：唐一东】
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