自主目標(biāo)搜尋與打擊的移動(dòng)式智能電磁炮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第2章現(xiàn)狀分析2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀中國對電磁炮的研究雖然發(fā)展較晚，但研究速度迅速，中國電磁脈沖武器不僅技術(shù)領(lǐng)先，而且已經(jīng)成為該項(xiàng)武器研發(fā)的佼佼者。2020年8月，我國學(xué)者在對電磁炮系統(tǒng)模擬設(shè)計(jì)中提出，通過搭載二維電動(dòng)云臺(tái)，能夠在水平方向和豎直方向的一定角度內(nèi)任意偏轉(zhuǎn)，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)尋靶以及手動(dòng)瞄準(zhǔn)尋靶功能。該裝置使用MPU6050讀取電磁炮的實(shí)時(shí)發(fā)射角度，利用卡爾曼算法對角度信息進(jìn)行濾波，通過PID算法實(shí)現(xiàn)對電磁炮發(fā)射系統(tǒng)的閉環(huán)控制REF_Ref18667\r\h[1]。此觀點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)是可以隨意通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整炮臺(tái)的轉(zhuǎn)速。提高了云臺(tái)炮塔在運(yùn)行過程中的機(jī)動(dòng)速度。但忽略了響應(yīng)速度，因?yàn)殡姍C(jī)的響應(yīng)速度不夠及時(shí)，同時(shí)炮臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成相對復(fù)雜，給后期的維護(hù)調(diào)試帶來了一定困難。為解決這個(gè)問題研究人員“采用DS3115舵機(jī)作為二維舵機(jī)炮臺(tái)系統(tǒng)的核心”REF_Ref18709\r\h[2]。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)角度的準(zhǔn)確性較高，指向性較好，其結(jié)構(gòu)組成較為簡單，便于維護(hù)調(diào)試，同時(shí)價(jià)格也相對低廉。2022年6月我國學(xué)者在對模擬曲射電磁炮進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，使用激光傳感器測量炮位與靶標(biāo)之間的距離和角度。根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)計(jì)算出彈著點(diǎn)。單片機(jī)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)到指定水平角度和俯仰角度，同時(shí)控制DC-DC升壓電路為高能電容儲(chǔ)能組件充電，充電完成后，啟動(dòng)高壓開關(guān)發(fā)射電路，線圈產(chǎn)生磁場，發(fā)射炮彈REF_Ref18830\r\h[3]。這種做法提高了炮彈的命中率。但沒有解決對移動(dòng)目標(biāo)的搜索和打擊問題。為了解決這個(gè)問題我國研究人員使用OpenMV攝像頭實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤，鎖定目標(biāo)，超聲波探測器探測距離，反饋至單片機(jī)，單片機(jī)控制放電電路的線圈電流進(jìn)而控制射送角度REF_Ref18938\r\h[4]。此方案引入了視覺模塊，不僅解決了電磁炮對移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行鎖定和打擊的問題，同時(shí)也提升了電磁炮的智能化。2018年3月我國學(xué)者對電磁炮物理模型進(jìn)行構(gòu)建中時(shí)，使用外觸發(fā)控制繼電器開關(guān)連接電容器和勵(lì)磁線圈構(gòu)成閉合電路，由電容器放電REF_Ref19013\r\h[5]。此方案為電磁炮蓄能提供了辦法。但由于電磁炮發(fā)射時(shí)電壓較高，操作失誤容易造成元器件損毀。對于這個(gè)問題，有學(xué)者做出了更優(yōu)的方案，他們巧妙地采用光耦將微控制器與給電容充電開關(guān)隔離，這種設(shè)計(jì)避免了因操作失誤使微控制器燒毀REF_Ref19052\r\h[6]。2.2國外研究現(xiàn)狀與國內(nèi)相比國外對電磁炮的研究較早，其技術(shù)較為成熟。2022年12月，國外研究人員研發(fā)出“RAFTAR”的模塊化電磁軌道炮加速器設(shè)施（即用于技術(shù)和研究的軌道炮加速器設(shè)備），該設(shè)施在第一次測試中，成功將8g固體鋁7075電樞炮彈的加速度超過1000m/sREF_Ref19091\r\h[17]。2008年12月，國外研究人員對電磁發(fā)射器研究中發(fā)現(xiàn)，磁場產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)力，使電樞向前移動(dòng)。在電磁發(fā)射器中，電樞在發(fā)射過程中達(dá)到臨界速度，這會(huì)導(dǎo)致高振幅應(yīng)力和應(yīng)變。此外，高應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)損壞鋼軌并縮短其壽命REF_Ref19163\r\h[18]。2.3現(xiàn)狀和需求分析綜上所述，可以看出。國內(nèi)外對電磁炮的研究，更多的偏向于電磁炮的能量儲(chǔ)備和炮彈發(fā)射裝置的研究。而對電磁炮的自動(dòng)化以及電磁炮機(jī)動(dòng)性方面的研究有所不足。為了加強(qiáng)電磁炮自動(dòng)化和機(jī)動(dòng)性的研究，實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)目標(biāo)搜尋與打擊的移動(dòng)式智能電磁炮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，需要該系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足以下需求：能通過無線遙控對電磁炮進(jìn)行遙控，控制其到達(dá)指定位置。能夠自主對目標(biāo)進(jìn)行捕捉和鎖定。系統(tǒng)鎖定目標(biāo)后電磁炮打擊系統(tǒng)能自動(dòng)和手動(dòng)對目標(biāo)進(jìn)行精確打擊。炮彈的發(fā)射距離可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)。顯示模塊能實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)的距離、電容儲(chǔ)能情況等各項(xiàng)數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)以上功能需求，因此本設(shè)計(jì)需要用到藍(lán)牙小車動(dòng)力系統(tǒng)滿足電磁炮的機(jī)動(dòng)性和無線遙控功能，用OpenMV視覺模塊來對目標(biāo)進(jìn)行搜索和鎖定，同時(shí)搭配云臺(tái)模塊來調(diào)控炮管方向，保證打擊的精確性，用激光測距模塊來測量目標(biāo)的距離，用阻磁式線圈和升壓模塊結(jié)合將炮彈發(fā)射出去。第3章總體方案設(shè)計(jì)和選擇3.1電磁炮系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)和OpenMV4圖像識別模塊，利用電磁原理實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)電磁炮系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)主要分為動(dòng)力系統(tǒng)、電磁炮發(fā)射系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)通過接收遠(yuǎn)程藍(lán)牙信號，然后輸出PWM給驅(qū)動(dòng)電路控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)啟停。發(fā)射系統(tǒng)的組成的零部件是蓄能電容、可控硅以及升壓模塊，控制炮管外圍的線圈產(chǎn)生洛侖磁力，作用于炮管內(nèi)的金屬炮彈，將炮彈發(fā)射出去。圖像識別系統(tǒng)是由OpenMV視覺識別模塊進(jìn)行目標(biāo)搜索和采集。將目標(biāo)的位置坐標(biāo)傳輸給STM32的片機(jī)，由STM32單片機(jī)控制兩個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行瞄準(zhǔn)目標(biāo)，目標(biāo)鎖定后好單片機(jī)會(huì)輸出發(fā)射信號控制炮彈的發(fā)射，在目標(biāo)的鎖定過程中為了提高精確度采用了增量式PID算法。顯示系統(tǒng)是由OLED屏組成，它能通過測距模塊顯示目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置，以及電容的蓄能情況。本系統(tǒng)的基本框圖如圖3.1所示：圖3.1系統(tǒng)的基本框圖3.2動(dòng)力系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)第一種方案是選用藍(lán)牙小車。藍(lán)牙小車的基本構(gòu)成是STM32單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、HC-05藍(lán)牙模塊、L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等構(gòu)成。如下圖3.2所示以STM32為核心的驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板。該模塊以STM32單片機(jī)為中心，以MDK為開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)。通過對L293D模塊IN1~IN4管腳的高低電平進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了對電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的控制，進(jìn)而控制動(dòng)力小車的運(yùn)轉(zhuǎn)。車子無線遙控由藍(lán)牙模塊來控制的，可以使用手機(jī)的藍(lán)牙系統(tǒng)與Bluetooth模塊進(jìn)行通訊，從而達(dá)到啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向，和停止的目的。第二種方案是選用智能wifi控制小車。wifi小車的器件組成是ESP8266-12E模塊（NodeMCU）、L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流減速電機(jī)、7805穩(wěn)壓器等。其原理與藍(lán)牙相似，只不過esp8266這款芯片可以連接wifi，可以使用局域網(wǎng)來控制小車?？紤]到智能電磁炮系統(tǒng)用到了STM32單片機(jī)，并且動(dòng)力小車控制器和電磁炮系統(tǒng)能夠共用一個(gè)控制器，為了節(jié)約成本，所以選用第一種方案。圖3.2STM32為核心的驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板模塊圖3.3旋轉(zhuǎn)炮臺(tái)方案的設(shè)計(jì)第一種方案是使用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)炮臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是可以隨意通過調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)整炮臺(tái)的轉(zhuǎn)速。但它的弊端也比較突出，那就是響應(yīng)速度不夠及時(shí)，炮臺(tái)的結(jié)構(gòu)組成相對復(fù)雜。第二種方案是使用MG996R舵機(jī)來對云臺(tái)進(jìn)行控制，如下圖3.3所示。它的主要組成是舵機(jī)外殼、位置反饋電位計(jì)、控制電路板、減速齒輪組、電動(dòng)馬達(dá)。舵機(jī)的控制原理較為靈活，主要的控制方式有兩種：第一種是pw信號控制，第二種是串口通信控制。其控制原理也較為簡單，首先接收機(jī)向舵機(jī)發(fā)出通信訊號，然后傳送給電路板上的IC驅(qū)動(dòng)元件，電動(dòng)馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將動(dòng)力通過齒輪組傳遞給舵機(jī)的擺臂，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的同時(shí)，其電阻值也是隨著舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度開始變化的，因此位置檢測器件通過檢測電阻值便可知道舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是否到達(dá)指定的位置。其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)動(dòng)角度的準(zhǔn)確性較高，指向性較好，其結(jié)構(gòu)組成較為簡單，同時(shí)價(jià)格也相對低廉。通過兩種方案的測試，舵機(jī)帶有自動(dòng)復(fù)位的功能，每次發(fā)射完之后，炮管都能回到原來的位置，并且舵機(jī)的應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)成熟可靠性強(qiáng)。組合和調(diào)試都較簡單。因此我選擇了第二種方案。圖3.3舵機(jī)云臺(tái)圖3.4電磁炮發(fā)射開關(guān)電路控制方案的設(shè)計(jì)在對電磁炮開關(guān)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我首先想到的就是MOS管。MOS管開關(guān)電路的控制原理是通過MOS管柵極（g）來控制MOS管源極（s）和漏極（d）接通和斷開。MOS管的輸入阻抗較高、熱穩(wěn)定性較好、制作工藝簡單，價(jià)格低。但對于本設(shè)計(jì)來說，MOS管有一個(gè)缺點(diǎn)就是耐壓值較低，電磁炮的升壓模塊最高能將電壓升至85V，同時(shí)電磁炮進(jìn)行發(fā)射時(shí)瞬時(shí)電流較大，這樣一來容易造成MOS管燒壞。于是通過查閱相關(guān)書籍和網(wǎng)絡(luò)資料我找到了第二種方案。利用繼電器和雙向可控硅進(jìn)行開關(guān)電路的組合，雙向可控硅是一種二極管和晶閘管的混合器件，可以看成是一對反并聯(lián)連接的普通可控硅的組合，工作原理與常見的單向可控硅一樣，但控制方式更加靈活。雙向可控硅擁有兩個(gè)主電極T1和T2，一個(gè)門極G，門極使器件在主電極的正反兩個(gè)方向均可觸發(fā)導(dǎo)通，所以雙向可控硅在第1和第3象限有對稱的伏安特性。雙向可控硅門極加正、負(fù)觸發(fā)脈沖都能使管子觸發(fā)導(dǎo)通，因此有四種觸發(fā)方式。它的特點(diǎn)是擁有良好的耐壓性。綜上所述為了安全可靠，我選擇第二個(gè)方案。3.5OpenMV視覺模塊方案的設(shè)計(jì)在對電磁炮系統(tǒng)視覺模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我首先想到的是OpenMV系列視覺模塊，讓我難以抉擇的是選用OpenMV3還是選用OpenMV4，兩者都廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、智能家居、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。通過對比我發(fā)現(xiàn)在性能上，OpenMV4使用的是Cortex-M7處理器，運(yùn)算速度比OpenMV3使用的處理器更快，同時(shí)圖像識別的分辨率更高。OpenMV4板載隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)能力為264kb，比OpenMV3更大。OpenMV4還擁有更多的通信和傳感器接口，可拓展性更強(qiáng)。編程語言上兩者都支持C/C++和Python編程語言，但OpenMV4還支持MicroPython語言編程，因此OpenMV4擁有更多的語言編程。在成像和視野方面，OpenMV4采用全新的OV7725傳感器，比OpenMV3擁有更高的清晰度，以及更大的成像視野，對于電磁炮系統(tǒng)來說更大的視野等同于對目標(biāo)的捕捉區(qū)域更為寬廣，打擊范圍更大。最后在價(jià)格方面OpenMV4遠(yuǎn)高于OpenMV3。綜上所述，雖然OpenMV4的價(jià)格較貴，但OpenMV4作為OpenMV3的升級版，具有更高的性能、更寬的視野、更多的編程語言和更多的功能。為了提高系統(tǒng)整體性能，讓電磁炮系統(tǒng)擁有良好的目標(biāo)捕捉能力，因此我選用OpenMV4作為電磁炮的視覺模塊。如圖3.5所示。圖3.5OpenMV4視覺模塊圖3.6測距模塊方案的設(shè)計(jì)第一種方案是選用HC-SR04超聲波測距模塊，其工作原理是超聲波發(fā)射裝置向某一指定方向發(fā)射超聲波，聲波在遇到前方障礙物后會(huì)原路反射回來，測量聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，進(jìn)而通過S=340t/2，測算出目標(biāo)的距離。第二種方案是選用TOF（TimeofFlight飛行時(shí)間）激光測距模塊，它的設(shè)計(jì)原理是基于激光脈沖的飛行時(shí)間，利用激光發(fā)射，激光傳輸和激光接收三個(gè)階段，TOF激光測距模塊接收來自物體反彈的激光束。模塊內(nèi)部的光電二極管會(huì)將來自反射的激光能量轉(zhuǎn)換成一個(gè)電磁信號，并且放大這個(gè)信號以作為計(jì)算激光飛行時(shí)間的輸入，測量出激光從發(fā)射到折射返回的時(shí)間差，進(jìn)而通過S=299792458t/2計(jì)算出目標(biāo)的距離。通過比較得知激光測距的精度為亞毫米級別，超聲波測距的精度為厘米級別。相比之下激光測距的精確度更高，同時(shí)激光測距和超聲波測距相比激光測距不受氣流和噪聲的干擾。因此為了測距的準(zhǔn)確度更高和抗干擾性更強(qiáng)，我選擇了第二種方案選用TOF激光測距模塊。如圖3.6所示。圖3.6TOF激光測距模塊圖第4章電磁炮系統(tǒng)原理及電路設(shè)計(jì)4.1炮彈發(fā)射的基本原理電磁炮，又稱為磁軌加速器，是一種利用磁場產(chǎn)生的動(dòng)力的高速運(yùn)動(dòng)裝置。電磁炮基本原理是利用電流通過導(dǎo)線時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，而磁場與電流方向垂直。當(dāng)導(dǎo)線內(nèi)電流瞬間增大時(shí)，將在導(dǎo)線附近產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的磁場，這個(gè)磁場會(huì)產(chǎn)生洛倫磁力，作用于炮彈，導(dǎo)致炮彈的運(yùn)動(dòng)，使炮彈加速發(fā)射出去。其具體原理如圖4.1所示。圖4.1電磁炮發(fā)射示意圖4.2主控電路的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電磁炮系統(tǒng)使用的主要控制芯片是STM32F103C8T6單片機(jī)，其電路圖如下圖4.2所示。它是以ARMCortex-M3作為內(nèi)核開發(fā)的一款32位單片機(jī)，所謂最小系統(tǒng)指的是用于滿足單片機(jī)最基本的功能所需要的最基礎(chǔ)的硬件設(shè)計(jì)。STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)一般包括一個(gè)晶振、一個(gè)復(fù)位按鍵、一個(gè)電源、同時(shí)還包括電容和連接器。晶振電路：晶振電路的主要作用是給最小系統(tǒng)提供時(shí)鐘信號。一般STM32F103C8T6單片機(jī)所用到的是8MHz的晶振，晶振電路中包含兩個(gè)電容和一個(gè)晶振。復(fù)位電路：復(fù)位電路的主要作用是對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，使其恢復(fù)到初始化狀態(tài)，開始新的運(yùn)行。一般單位機(jī)中會(huì)使用一個(gè)按鍵將RST（復(fù)位）引腳和地相連，當(dāng)按鍵動(dòng)作時(shí)，單片機(jī)便進(jìn)行復(fù)位。在復(fù)位電路中還有一個(gè)上拉電阻，它的作用是在復(fù)位按鍵沒有被按下時(shí)，復(fù)位引腳始終是高電平狀態(tài)。電源電路：顧名思義，電源電路主要是為單片機(jī)進(jìn)行供電。一般在單片機(jī)最小系統(tǒng)中把交流或直流電源轉(zhuǎn)化為大小為5V直流電。在電路中還需要一個(gè)來直觀表達(dá)供電電源是否正常的器件，那就是一個(gè)LED電源指示燈。在電源電路中還包含一個(gè)濾波電容，它的作用是降低電源產(chǎn)生的噪聲。連接器：連接器的作用是，便于單片機(jī)與其他器件進(jìn)行相連，例如擴(kuò)展板和LCD顯示屏。圖4.2STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖4.3電磁炮的儲(chǔ)能發(fā)射電路設(shè)計(jì)電磁炮的可能發(fā)射電路是該系統(tǒng)最重要的電路之一，設(shè)計(jì)的時(shí)候用到了二極管、儲(chǔ)能電容、三極管、接近開關(guān)、接線端子等。該電路的主要作用是對電磁炮進(jìn)行儲(chǔ)能，然后通過可控硅進(jìn)行放電，將儲(chǔ)存在電容器中的電能快速釋放，并將電能通過電磁的形式傳遞到炮彈上，使炮彈能夠獲得足夠的動(dòng)能發(fā)射出去。其電路如圖4.3所示。圖4.3電磁炮的儲(chǔ)能發(fā)射電路圖4.4電磁炮升壓模塊的電路設(shè)計(jì)該電磁炮的升壓模塊選用的是boost升壓模塊，它的主要組成是MOS管、電感、二極管、電容。該模塊的工作原理是利用電感和電容的儲(chǔ)能特性，將低電壓信號轉(zhuǎn)為高電壓信號。其過程為當(dāng)輸入信號接通后，電感和電容同時(shí)開始工作，電感將輸入信號轉(zhuǎn)換為電流，并進(jìn)行可能。而電容者將接收到的信號轉(zhuǎn)化為電壓，然后把機(jī)管把電容中所儲(chǔ)存的能量釋放出來，傳遞給其他器件。直到電容中所有的能量全部釋放完成后，升壓過程也就完成了。升壓模塊的電路圖如4.4所示。圖4.4升壓模塊電路圖4.5供電電路設(shè)計(jì)該電磁炮系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電，因?yàn)橹绷鞣€(wěn)壓電源能夠輸出較為穩(wěn)定的電壓，能夠使電磁炮系統(tǒng)在工作中穩(wěn)定性更好。同時(shí)直流穩(wěn)壓電源的電流也比較穩(wěn)定，極大地降低了電磁炮系統(tǒng)因電源電壓波動(dòng)而產(chǎn)生的干擾，有利于保證電磁炮的發(fā)射精度。另外直流穩(wěn)壓電源充電的效率更高，電壓和電流可以調(diào)節(jié)，能夠保證電磁炮的極致需求。其供電電路如圖4.5所示。圖4.5供電模塊電路圖4.6小車驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在對藍(lán)牙小車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)首先要選擇驅(qū)動(dòng)芯片，主要的驅(qū)動(dòng)芯片有三種，分別是HIP4082、IR2104、L298N。最終我選擇了L298N型驅(qū)動(dòng)芯片，它是一種電壓和電流都較高的驅(qū)動(dòng)芯片。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，一片L298N型驅(qū)動(dòng)芯片最多能控制兩個(gè)直流馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，它的優(yōu)點(diǎn)是擁有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力、低發(fā)熱、抗干擾能力強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)電路如圖4.6所示。圖4.6驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路圖4.7按鍵電路設(shè)計(jì)設(shè)置按鍵的目的是滿足電磁炮系統(tǒng)的人機(jī)交互功能，使電磁炮系統(tǒng)能夠進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和模式選擇。因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中所需的按鍵較少，因此將按鍵模塊電路設(shè)計(jì)為4個(gè)單獨(dú)按鍵的電路模式。其電路如圖4.7所示。圖4.7按鍵模塊電路圖4.8OpenMV電路設(shè)計(jì)OpenMV視覺模塊，在該電磁炮系統(tǒng)中，主要是對目標(biāo)進(jìn)行捕捉，捕捉到目標(biāo)后輸出PID信號調(diào)動(dòng)舵機(jī)云臺(tái)瞄準(zhǔn)和鎖定圖像目標(biāo)。該模塊具有兩個(gè)電源輸入端和一個(gè)電源輸出端。輸入端需要的電壓為5V，輸出端輸出電壓為3.3V用于給其他傳感器進(jìn)行供電。其模塊電路如圖4.8所示。圖4.8OpenMV模塊電路圖第5章軟件設(shè)計(jì)5.1軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)該電磁炮的控制器有兩個(gè)，分別為STM32單片機(jī)和OpenMV自帶的控制器，STM32單片機(jī)它的主要作用是負(fù)責(zé)激光測距模塊的數(shù)據(jù)讀取、電磁炮的儲(chǔ)能、炮彈發(fā)射、人機(jī)界面的模式選擇和交互、藍(lán)牙小車動(dòng)力系統(tǒng)的控制。OpenMV自帶的控制器主要負(fù)責(zé)捕捉鎖定目標(biāo)、控制云臺(tái)的座機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)控制器通過通信串口連接在一起，進(jìn)行相互間的信息反饋。當(dāng)需要進(jìn)行目標(biāo)捕捉時(shí)，STM32單片機(jī)會(huì)發(fā)送信號給OpenMV自帶的控制器，然后OpenMV控制云臺(tái)舵機(jī)搜索目標(biāo)，目標(biāo)搜索完成后OpenMV會(huì)給單片機(jī)反饋信號，STM32單片機(jī)根據(jù)返回的信號，進(jìn)行后續(xù)的發(fā)射控制。5.2電磁炮主程序設(shè)計(jì)首先進(jìn)入人機(jī)交互頁面，進(jìn)行模式選擇，該電磁炮系統(tǒng)主要分為三種打擊模式，分別是手動(dòng)模式、自動(dòng)目標(biāo)追蹤打擊模式、自動(dòng)巡航打擊模式。手動(dòng)模式：電磁炮系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的距離參數(shù)來獲取充電電壓，同時(shí)發(fā)出相應(yīng)的控制參數(shù)設(shè)置儲(chǔ)能電容的電壓。以此來控制電磁炮的炮彈發(fā)射距離，最后對電磁炮進(jìn)行儲(chǔ)能和發(fā)射。自主目標(biāo)追蹤打擊模式：該模式下OpenMV視覺模塊會(huì)輸出信號，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)對目標(biāo)進(jìn)行捕捉，捕捉到目標(biāo)后，STM32單片機(jī)會(huì)通過激光測距模塊得知目標(biāo)的距離，然后調(diào)整電容儲(chǔ)能電壓，同時(shí)對電磁炮進(jìn)行儲(chǔ)能和發(fā)射。自動(dòng)巡航打擊模式：進(jìn)入該模式后，云臺(tái)舵機(jī)自動(dòng)開啟±60°來自動(dòng)巡航轉(zhuǎn)動(dòng)，OpenMV也開始對目標(biāo)進(jìn)行捕捉，當(dāng)捕捉到目標(biāo)后激光測距模塊會(huì)迅速測出目標(biāo)的距離，然后單片機(jī)調(diào)整電壓對電容進(jìn)行儲(chǔ)能，隨后迅速發(fā)射。具體流程如圖5.2所示。圖5.2電磁炮主程序流程圖5.3OpenMV程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)定的是對紅色靶標(biāo)進(jìn)行捕捉，當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)用OpenMV時(shí)，OpenMV視覺模塊利用自身的攝像頭捕捉環(huán)境圖像，通過預(yù)設(shè)的像素值分析篩選出所需要的圖像信息。在進(jìn)行紅色靶標(biāo)識別時(shí)，OpenMV視覺模塊會(huì)將圖像中所有的紅色像素提取出來，并利用一些算法進(jìn)行處理和分析，最終確定紅色靶標(biāo)對應(yīng)的位置和大小，然后輸出PID信號調(diào)動(dòng)舵機(jī)云臺(tái)瞄準(zhǔn)圖像目標(biāo)，鎖定目標(biāo)后將信息反饋給STM32單片機(jī)，具體流程如圖5.3所示圖5.3OpenMV程序流程圖5.4動(dòng)力小車程序設(shè)計(jì)該動(dòng)力小車的無線遙控模塊是HC-05型藍(lán)牙模塊，用戶通過手機(jī)連接上藍(lán)牙后，藍(lán)牙模塊的主要用途是接收同手機(jī)上發(fā)出的控制指令。藍(lán)牙模塊接到指令后會(huì)將信息傳輸給STM32單片機(jī)，然后單片機(jī)對信號指令進(jìn)行翻譯和解析，并發(fā)出相應(yīng)的信號，控制四個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制小車的前進(jìn)、后退、向左轉(zhuǎn)、向右轉(zhuǎn)。其控制過程如圖5.4所示。圖5.4藍(lán)牙動(dòng)力小車程序控制流程如圖5.5OLED顯示程序設(shè)計(jì)為了滿足電磁炮的人機(jī)交互功能，因此需要使用OLED顯示模塊，該模塊是一種基于OLED（OrganicLightEmittingDiode）技術(shù)實(shí)現(xiàn)的顯示模塊，它具有低功耗、高對比度、高亮度、廣視角等優(yōu)點(diǎn)。它的屏幕大小是9.6寸，分辨率為128x64像素，寬電壓供電，兼容3.3V和5V的電平邏輯，不需要電平轉(zhuǎn)換芯片。IIC接口只需兩個(gè)IO便可以輕松點(diǎn)亮。OLED程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5.5所示。圖5.5OLED程序設(shè)計(jì)流程圖第6章系統(tǒng)測試6.1系統(tǒng)操作說明及模式介紹打開電磁炮系統(tǒng)的電源開關(guān)后，電磁炮進(jìn)入開機(jī)待命狀態(tài)，各項(xiàng)指示燈亮起，測壓模塊能準(zhǔn)確地測得電磁炮系統(tǒng)的電壓。打開手機(jī)藍(lán)牙系統(tǒng)，搜索并連接動(dòng)力小車系統(tǒng)藍(lán)牙，通過手機(jī)操控頁面可控制動(dòng)力小車帶動(dòng)電磁炮系統(tǒng)自由運(yùn)動(dòng)。隨后進(jìn)入電磁炮系統(tǒng)人機(jī)交互界面，該系統(tǒng)的人機(jī)交互是通過按鍵和OLED屏幕進(jìn)行的，如下圖6.1所示。該頁面中mid表示OpenMV視覺模塊捕捉的紅色目標(biāo)的位置信息。該數(shù)字信息的范圍是0~320，當(dāng)頁面中數(shù)字為160說明電磁炮炮管正對紅色目標(biāo)。頁面中dis表示激光測距模塊測得的目標(biāo)距離，該距離的精確度是mm。圖6.1初始調(diào)試界面圖在對電磁炮進(jìn)行打擊模式選擇前，需要先對其進(jìn)行校驗(yàn)。方法如下，將紅色目標(biāo)放在電磁炮前方，然后慢慢移動(dòng)目標(biāo)，觀察mid行所顯示的數(shù)字。當(dāng)數(shù)字顯示為160左右時(shí)，停止移動(dòng)，此刻表示電磁炮炮管已經(jīng)正對著目標(biāo)的方向。然后用卷尺測量目標(biāo)距離電磁炮的位置，如果測得的結(jié)果和屏幕上激光測距模塊反饋的距離結(jié)果相同，說明電腦系統(tǒng)狀態(tài)正常，可以按back鍵，跳出該頁面進(jìn)行電磁炮打擊模式的選擇。6.1.1模式的選擇和功能介紹該系統(tǒng)的按鍵布局，從上到下依次為Up（向上）、Down（向下）、Enter（進(jìn)入）、Back（返回）。該系統(tǒng)共有三種打擊模式可以選擇。如圖6.1.1所示，分別為手動(dòng)打擊模式（model1、model2、model3，因模式1、2、3均需手動(dòng)輸入發(fā)射所以統(tǒng)稱為手動(dòng)打擊模式，具體功能差異在模式功能介紹中將詳細(xì)說明）、自動(dòng)目標(biāo)追蹤打擊模式（model4）、自動(dòng)巡航打擊模式（model5）。在模式選擇頁面中，按Up鍵或者Down鍵調(diào)動(dòng)屏幕中的“#”，對模式進(jìn)行標(biāo)定，然后按Ente鍵即可進(jìn)入該模式。圖6.1.1模式選擇圖功能介紹：模式1：進(jìn)入該模式后，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)測距模塊反饋的信息對儲(chǔ)能電容充電，充電完成后發(fā)射電路立即動(dòng)作，將炮彈發(fā)射出去。模式2：在該模式下，需要手動(dòng)輸入目標(biāo)距離，然后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的距離信息算出所需要的充電時(shí)間，然后對電磁炮進(jìn)行充電，充電完成后系統(tǒng)立即進(jìn)行放電將炮彈發(fā)射出去。模式3：進(jìn)入該模式后，需要手動(dòng)輸入目標(biāo)的距離和炮管的角度。然后系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的信息計(jì)算出電容的充電時(shí)間。然后進(jìn)行充電，充電完成后系統(tǒng)立即開始放電，將炮彈發(fā)射出去。模式4：進(jìn)入該模式后，OpenMV視覺模塊開始尋找紅色目標(biāo)，搜尋到目標(biāo)后進(jìn)行鎖定。鎖定后舵機(jī)云臺(tái)會(huì)跟隨著目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證電磁炮的炮管始終正對著目標(biāo)。當(dāng)OpenMV系統(tǒng)讀取的像素點(diǎn)小于預(yù)設(shè)的4個(gè)像素點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定為已經(jīng)瞄準(zhǔn)完成，然后舵機(jī)云臺(tái)會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉OpenMV傳輸串口。根據(jù)數(shù)據(jù)模塊反饋的距離信息，算出所需要的充電時(shí)間，對電磁炮進(jìn)行充電，充電完成后系統(tǒng)立即進(jìn)行放電將炮彈發(fā)射出去。模式5：進(jìn)入該模式后，舵機(jī)云臺(tái)自動(dòng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的范圍是±60度，在此視野范圍內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行巡航搜索，搜索的過程中系統(tǒng)循環(huán)讀取目標(biāo)的中心值160（此值表示炮管正對目標(biāo)），當(dāng)檢測到目標(biāo)正處于炮管的正前方時(shí)，根據(jù)測距模塊反饋的信息，進(jìn)行充電，充電完成后發(fā)射開關(guān)動(dòng)作，將炮彈發(fā)射出去。6.2功能測試6.2.1機(jī)動(dòng)性測試首先把動(dòng)力小車的藍(lán)牙模塊連接上手機(jī)藍(lán)牙，成功連接后，系統(tǒng)能夠接收到手機(jī)上的藍(lán)牙信號，隨后進(jìn)入手機(jī)的控制頁面，可以通過頁面中的按鍵準(zhǔn)確地控制電磁炮的動(dòng)力小車系統(tǒng)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。小車藍(lán)牙控制頁面如圖6.2.1所示。圖6.2.1藍(lán)牙控制頁面圖6.2.2電磁炮系統(tǒng)打靶測試打開電源，分別在手動(dòng)模式、自動(dòng)目標(biāo)追蹤打擊模式、自動(dòng)巡航打擊模式下，對電磁炮進(jìn)行打靶測試，測試過程中以紅色塑料瓶作為靶標(biāo)，如圖6.2.2所示。同時(shí)不斷等距增大目標(biāo)的距離，測試和對比電磁炮系統(tǒng)在不同模式下的打擊精度。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，每組相同距離測試20次，記錄實(shí)際落點(diǎn)后取平均值。圖6.2.2電磁炮系統(tǒng)打靶測試圖不同模式下測試結(jié)果：手動(dòng)模式：在該模式下，通過卷尺測量目標(biāo)實(shí)際距離，然后輸入各項(xiàng)參數(shù)（所測目標(biāo)距離、炮管角度等）后，點(diǎn)擊enter鍵，炮彈能夠成功發(fā)射并準(zhǔn)確落擊中目標(biāo)。該模式下打靶數(shù)據(jù)如表6.1所示。表6.1手動(dòng)模式下測試數(shù)據(jù)理論落點(diǎn)距離值（mm）測試次數(shù)平均實(shí)際落點(diǎn)距離值（mm）平均誤差（mm）1000201015.415.42000202018.718.73000203025.425.44000204030.530.5自動(dòng)目標(biāo)追蹤打擊模式：在該模式下，電磁炮系統(tǒng)能夠自動(dòng)通過OpenMV視覺模塊尋找紅色目標(biāo)，然后電磁炮的炮臺(tái)跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而追蹤并鎖定目標(biāo)，然后系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)測距模塊位置距離反饋，計(jì)算出充充電時(shí)間，系統(tǒng)對儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，充電完成后電磁炮系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)射炮彈，最后炮彈成功發(fā)射并擊中紅色目標(biāo)，完成打擊后系統(tǒng)自動(dòng)停止，退出該模式，重新進(jìn)入模式選擇界面。該模式下打靶數(shù)據(jù)如表6.2所示。表6.2自動(dòng)目標(biāo)追蹤打擊模式下測試數(shù)據(jù)理論落點(diǎn)距離值（mm）測試次數(shù)平均實(shí)際落點(diǎn)距離值（mm）平均誤差（mm）1000201012.412.42000202015.015.03000203022.722.74000204027.627.6自動(dòng)巡航打擊模式：在該模式下，電磁炮系統(tǒng)舵機(jī)云臺(tái)能夠自動(dòng)左右轉(zhuǎn)動(dòng)巡航，在此過程中尋找紅色目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)測距模塊位置距離反饋，計(jì)算出充充電時(shí)間，系統(tǒng)對儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，充電完成后電磁炮系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)射炮彈，最后炮彈成功發(fā)射并擊中紅色目標(biāo)，完成打擊后舵機(jī)炮臺(tái)繼續(xù)巡航，尋找新的目標(biāo)。該模式下打靶數(shù)據(jù)如表6.3所示。表6.3自動(dòng)巡航打擊模式下測試數(shù)據(jù)理論落點(diǎn)距離值（mm）測試次數(shù)平均實(shí)際落點(diǎn)距離值（mm）平均誤差（mm）1000201025.625.62000202027.027.03000203030.730.74000204037.537.5最后通過觀察和對比上面三種打擊模式下表格數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，手動(dòng)模式下的炮彈落點(diǎn)距離誤差為22.50mm，自動(dòng)目標(biāo)追蹤打擊模式下的炮彈落點(diǎn)平均距離誤差為19.42mm。自動(dòng)巡航打擊模式下的炮彈落點(diǎn)平均距離誤差為30.2mm。由此可見該系統(tǒng)自動(dòng)模式下準(zhǔn)確度較高，且穩(wěn)定性較強(qiáng)。第7章總結(jié)與展望本設(shè)計(jì)研究了自主目標(biāo)搜尋與打擊的移動(dòng)式智能電磁炮系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)通過藍(lán)牙模塊對電磁炮系統(tǒng)進(jìn)行無線遙控，控制其到達(dá)指定位置后，由OpenMV視覺模塊對目標(biāo)物體進(jìn)行捕捉鎖定，通過激光測距測算出目標(biāo)距離，然后電磁炮發(fā)射系統(tǒng)對目標(biāo)進(jìn)行精確打擊。通過對系統(tǒng)進(jìn)行測試。該電磁炮系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在低壓供電的情況下，4m范圍內(nèi)能夠?qū)Φ孛婺繕?biāo)進(jìn)行精確打擊，且距離誤差不超過10cm，另外我們對該電磁炮分別在手動(dòng)模式、自動(dòng)追蹤打擊模式、自動(dòng)巡航打擊模式下工作的精度進(jìn)行了測試，在靶心位置不同的情況下，對每一情況記錄20組數(shù)據(jù)。測試表明，手動(dòng)模式下的炮彈落點(diǎn)距離誤差僅為22.50mm，自動(dòng)追蹤打擊模式下的炮彈落點(diǎn)平均距離誤差僅為19.42mm。自動(dòng)巡航打擊模式下的炮彈落點(diǎn)平均距離誤差僅為30.2mm。由此可見該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，且自動(dòng)化程度較高，成功達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。自動(dòng)目標(biāo)搜尋與打擊的移動(dòng)式電磁炮系統(tǒng)是一種高科技的武器系統(tǒng)模型，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)目標(biāo)識別和打擊，具有重要的應(yīng)用前景。隨著科技的發(fā)展，人工智能技術(shù)和圖像識別技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，該系統(tǒng)可以將這些技術(shù)應(yīng)用到武器系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。在軍事方面，該系統(tǒng)可以在危險(xiǎn)環(huán)境下代替人員進(jìn)行作戰(zhàn)，提高戰(zhàn)爭的效率和安全性。在反恐行動(dòng)中，該系統(tǒng)可以快速地定位和消滅恐怖分子，保護(hù)國家的安全。此外，該系統(tǒng)還可以在邊境管理、海上安全、反海盜作戰(zhàn)等方面發(fā)揮重要作用。參考文獻(xiàn)周萬禹,胡乃瑞,楊美琪,朱一飛.電磁炮系統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)[J].電子器件,2020,43(4):949-952.陳楠,劉家瑋,鄭力嘉,楊鈺蕙,蔡文聰,彭力.基于多模式切換的高精度電磁炮系統(tǒng)[J].大學(xué)物理,2022,11(1)：72-76.屈召貴,楊睿,孫學(xué)斌,饒蓉.基于激光制導(dǎo)的模擬曲射電磁炮設(shè)計(jì)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2022,6(1):71-73.林政宇,王福杰,秦毅,郭芳,任斌.基于OpenMV視覺伺服的高精度電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)[J].中小企業(yè)管理與科技,2021(11):182-183.馮曉暉.電磁炮物理模型構(gòu)建與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)研究[J].黑龍江科學(xué),2018,9(5):134-135.黃佳琪,王善偉,毛凌青,陳金江.智能模擬電磁炮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù)：學(xué)術(shù)版,2020,16(5):225-226.劉賽南,李東升,何月陽,王國權(quán),周海軍.智能掃描定位電磁炮設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2020(31):79-81.唐勇,費(fèi)付聰,周延懷.自制演示型電磁炮及其相關(guān)研究[J].物理教師,2015,0(1):47-48.宋躍,余熾業(yè),胡勝.“單片機(jī)與接口技術(shù)”精品資源共享課設(shè)計(jì)與建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2017,34(6):150-153.朱林海,洪曉芳,高芳芳,韓莉娜,劉茜.基于藍(lán)牙監(jiān)控的智能循跡運(yùn)輸小車設(shè)計(jì)[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置,2021(3):126-130.黃建能,楊光杰.無線遙控小車[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(23):126-128.李如年,王敬,王海.新概念動(dòng)能武器—電磁炮[J].中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào),2011,6(2):125-129.黃強(qiáng),郭東橋,卞光榮.電磁炮的原理與技術(shù)發(fā)展[J].現(xiàn)代物理知識