基于STM32的模擬電磁曲射炮設計

鄭桂林，姚 楠,蘇文鵬

（滁州學院，安徽 滁州 239000）

0 引言

復合裝甲、高強度裝甲以及爆炸反應裝甲的出現(xiàn)，對破甲技術提出了更高的要求。人們開始注意研究開發(fā)某些新概念超高速動能穿甲武器，電磁炮屬于其中一種。物理學中，運動電荷或載流導體在磁場中會受到電磁力的作用，電磁炮利用這個基本原理來使彈丸加速［1］。依據(jù)加速方式分類，電磁炮可分為導軌炮和線圈炮。本文基于線圈炮的原理，設計了一種電磁曲射炮裝置，炮管的水平方位及垂直仰角方向可調(diào)節(jié)，在一定程度上還原了真實電磁炮。供電，以控制系統(tǒng)為核心，通過位置信息采集系統(tǒng)自動搜尋目標靶，通過人機交互系統(tǒng)獲取打靶指令，通過控制終端來控制電磁炮的發(fā)射。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 系統(tǒng)整體設計

系統(tǒng)采用模塊化設計，由電源模塊為整個系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)由STM32F103ZET6 微處理器最小系統(tǒng)構成，STM32F103ZET6是一種高性能、低成本、低功耗的32 位嵌入式處理器［2］。該處理器控制從位置信息采集系統(tǒng)及人機交互系統(tǒng)獲得目標靶的位置信息、打靶指令，最終控制電磁炮的發(fā)射。是各個模塊進行信息交流的樞紐，將各個子系統(tǒng)結(jié)合在一起，共同完成系統(tǒng)功能。

本文設計的模擬電磁曲射炮及其目標靶均垂直放置于同一水平面上，且打靶時目標靶的中心始終沿靶面的法線方向指向電磁炮的定標點，炮筒繞定標點做圓周運動即可完成對靶的瞄準。位置信息采集系統(tǒng)由OpenMV 攝像頭模塊和超聲波測距模塊構成。OpenMV 攝像頭模塊采集到位置信息后，通過串口通信的方式傳遞給STM32F103ZET6 最小系統(tǒng)控制單元。控制單元通過對位置信息的計算、處理，控制水平舵機偏轉(zhuǎn)相應的角度，完成對目標靶的水平方向瞄準。之后再通過超聲波測距模塊測量目標靶與定標點的距離，該距離與OpenMV 攝像頭模塊獲得的水平位置信息共同確定靶心的位置。距離信息采集完畢之后，送入STM32F103ZET6最小系統(tǒng)控制單元，通過公式計算，得到炮筒的仰角，即可控制垂直舵機旋轉(zhuǎn)到指定角度，從而完成打靶過程。

人機交互系統(tǒng)由矩陣鍵盤模塊和LCD 液晶顯示模塊構成，用戶可根據(jù)LCD 的界面提示，選擇電磁炮的工作模式。該模擬電磁曲射炮有手動打靶和自動打靶兩種模式。使用者若選擇手動打靶模式，LCD 液晶顯示模塊便會提示使用者輸入目標距離和水平角度，輸入完畢后，一鍵觸發(fā)，電磁炮便完成打靶；用戶若選擇自動搜索模式，一鍵觸發(fā)，電磁炮會自動搜索目標進行打靶。

控制終端包括水平舵機、垂直舵機以及繼電器模塊。水平舵機和垂直舵機可調(diào)整炮筒的水平方向及垂直仰角。繼電器模塊可控制電磁炮線圈的閉合與關斷，從而控制炮彈的發(fā)射與否。由于繼電器模塊閉合時間的長短會影響炮彈的初速度大小，因此可通過調(diào)整繼電器模塊閉合時間來對炮彈的初速度進行微調(diào)。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電源模塊

系統(tǒng)的電源拓撲結(jié)構如圖2所示。供電經(jīng)直流穩(wěn)壓電源調(diào)整到DC-55V、DC-27.5V，DC-55V 為線圈炮供電，DC-27.5V 經(jīng)LM2596 降壓模塊調(diào)整到DC-5V 后為處理器、攝像頭模塊供電，經(jīng)LM2596降壓模塊調(diào)整到DC-7V 后為舵機進行供電。LM2596為非隔離降壓模塊，輸入電壓范圍3.2V～40V，輸出電壓范圍1.25V～35V，轉(zhuǎn)換效率最高達92%，輸出紋波小，在電子設備供電場合應用較多。

圖2 電源拓撲結(jié)構

2.2 OpenMV攝像頭模塊

OpenMV4 Cam H7 是一個開源的功能強大的圖像處理模塊。以STM32F767CPU 為核心，集成了OV7725 攝像頭模組。模塊如圖3 所示，OpenMV4 Cam H7 具有標準的I/O 引腳布局，可以對其進行疊加擴展。在小巧的硬件模塊上，提供了用C 語言實現(xiàn)的核心機器視覺算法，并對外提供python 編程接口。可應用在數(shù)字識別、笑臉檢測、紅外熱成像、顏色識別、形狀識別、機器人巡線、人臉識別、邊緣檢測、人眼追蹤、二維碼識別、特征點追蹤等場合［3］。開發(fā)者只需要用Python 進行編程，即可完成各種機器視覺相關的任務。

圖3 OpenMV攝像頭模塊

2.3 超聲波測距模塊

HC-SR04超聲波測距模塊盲區(qū)小，探測范圍2～450cm，精度高達0.3cm。性能穩(wěn)定，能與國外的SRF02、SRF05 等超聲波測距模塊相媲美。實物如圖4，對外提供2.54mm 間距的標準4pin 接口，分別為VCC、GND、TRIG、ECHO 管腳。采用I/O 口TRIG管腳觸發(fā)測距功能，當TRIG 管腳接收到高電平信號，模塊會自動發(fā)出8 個40kHz 的脈沖信號驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭，接收探頭則檢測是否有信號返回；如果有信號返回，I/O 口ECHO 管腳將輸出高電平，高電平持續(xù)時間即為超聲波從發(fā)射探頭發(fā)出到接收探頭接收所用的時間。通過公式（1）可計算得到目標距離：

其中，d表示測試距離，T表示高電平持續(xù)時間，v表示聲速［4］（340m/s）。

圖4 超聲波測距模塊

2.4 舵機模塊

舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，可在微機電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構，具有易安裝調(diào)試、控制簡單、扭力大的特點。炮筒角度需要不斷變化并具有鎖定在某個位置的功能，因此舵機適用于該應用場景［5］。系統(tǒng)使用MG996R 舵機2 個，水平舵機調(diào)節(jié)炮筒水平偏轉(zhuǎn)角度，垂直舵機調(diào)節(jié)炮筒仰角，通過調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比來控制舵機的偏轉(zhuǎn)角度。

2.5 線圈炮模塊

線圈炮是一種由一個或多個線圈組成的投射加速器，以同步線性馬達的方式將磁性拋射物加速到極高的速度，這種裝置也稱為高斯炮［6］。當線圈通過脈沖電流時，其產(chǎn)生的磁行波將驅(qū)動磁性材料的彈丸。線圈的匝數(shù)多少、線圈的整體長度、線徑的大小、施加電壓的大小都會影響彈丸獲得的初速度，實際設計時可以根據(jù)具體情況進行調(diào)整。普通電源很難提供瞬間大電流，因此在線圈的驅(qū)動電源處排布了8 個大容量儲能電容，以增大線圈閉合瞬間的脈沖電流。

2.6 矩陣鍵盤與液晶顯示模塊

矩陣鍵盤是單片機外部設備中常用的輸入設備，一個4*4 的矩陣鍵盤只需占用8 個I/O 口，即可實現(xiàn)16 個按鍵的地址分配。LCD 128*64 液晶顯示屏模塊體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富，可完成漢字、英文字符和圖形顯示。其靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，可幫助用戶快速設計人機交互圖形界面。本系統(tǒng)通過液晶顯示屏模塊向用戶展示功能菜單，并提示該裝置的實驗方法，用戶體驗較好。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 主程序設計

該裝置程序主要包括按鍵控制、OpenMV圖像處理、超聲波測距、舵機偏轉(zhuǎn)、繼電器觸發(fā)和LCD128*64顯示這六個部分。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖

系統(tǒng)以按鍵輸入作為總體框架，結(jié)合LCD 的顯示界面，按鍵輸入的值決定程序走向。在系統(tǒng)初始化之后，LCD 界面便會顯示電磁炮的兩種工作模式：手動打靶模式和自動打靶模式。按下按鍵1 可選擇手動模式，按鍵2 則可選擇自動模式。若選擇手動輸入模式，需再輸入目標靶距離和水平偏轉(zhuǎn)角兩個參數(shù)，然后按下按鍵A，處理器便輸出一定占空比的PWM 波控制舵機的偏轉(zhuǎn)，待炮管指向穩(wěn)定后，便觸發(fā)繼電器啟動電磁炮進行打靶；若選擇自動模式，則只需按下按鍵A，裝置便會通過OpenMV 攝像頭模塊和超聲波傳感器模塊自動鎖定目標并進行打靶。

3.2 目標靶的識別算法

對于目標靶上引導標識的識別追蹤，采用了閾值法進行識別，流程見圖6。

圖6 目標靶識別算法流程圖

首先設置目標靶引導標識的RGB 閾值，對于引導標識的閾值設定，采用OpenMV IED 里的閾值選取工具來實現(xiàn)。當引導標識的顏色閾值確定以后，需要對OpenMV 的感光元件進行初始化操作。包括配置像素模式、配置圖像大小、感光元件穩(wěn)定后關閉自動增益、關閉白平衡、設置ROI 窗口等。感光元件配置完成后，對目標區(qū)域進行拍照，獲取1 張圖像。找到圖片中所有符合條件的色塊，遍歷所有的色塊，選擇最大的色塊進行標識。通過被標識色塊的坐標，可以確定目標引導標識在圖片中的相對位置。最后將目標的坐標通過串口發(fā)送給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)經(jīng)過計算，即可得出舵機控制信號的占空比，控制舵機偏轉(zhuǎn)到相應的角度。如此循環(huán)，對目標區(qū)域進行拍照、識別、坐標獲取，從而實現(xiàn)對目標實時跟蹤。

3.3 電磁炮的控制算法

炮彈在運動過程中會受到空氣阻力，阻力與速度的關系可近似如下

由此可根據(jù)牛頓第二定律得水平和豎直方向的加速度如下

我們已知，初始狀態(tài)下，也就是t=0 時，vox=v0cosθ,voy=v0sinθ，所以，結(jié)合（3）式可得

將dx=vxdt,dy=vydt代入（4）式，再進行積分運算，得

所以

因豎直方向高度由仰角可確定，所以時間t可由仰角表達，即可得到電磁炮炮筒仰角θ與打靶距離x之間的關系。在獲得距離的情況下，根據(jù)（6）式可計算出仰角大小，繼而處理器可輸出適當占空比的PWM波控制垂直方位舵機的偏轉(zhuǎn)，調(diào)整電磁炮的仰角。

3.4 引腳分配

在STM32 最小系統(tǒng)中，用到了多組I/O 口對各執(zhí)行機構進行控制，引腳分配見下頁表1。

4 結(jié)語

本文設計的裝置具有結(jié)構簡單、易于操作、低成本等優(yōu)點。但識別目標靶所用的特征較單一且射程較近，在處理炮彈所受阻力與速度關系時采用的模型較簡單，因此打靶精度會受影響，系統(tǒng)的魯棒性和實用性仍有待提高。

表1 引腳分配表