自動識別打擊的智能電磁曲射炮系統

劉安彬 向勁松 張 江

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶400074）

1 系統功能概述

本系統由STM32 控制模塊、攝像頭模塊、電磁炮充放電模塊、云臺模塊、電源模塊、顯示模塊、激光測距模塊等組成，系統硬件結構圖如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構圖

電源模塊為整個系統供電；電磁炮自動充放電模塊由繼電器、逆變器等組成，通過繼電器實現對電磁炮自動充放電；攝像頭模塊對目標進行初步識別，結合激光測距模塊實現目標的精確定位；云臺由舵機控制實現對電磁炮射擊方向的控制；同時將相關信息發送給oled 顯示模塊，對一些必要信息進行實時顯示。

2 系統主要模塊設計

2.1 圖像識別模塊設計

對于標識物的識別主要是通過標識物具有的顏色與形狀等特征點進行識別。本系統的OpenMV 攝像頭采用三基色原理進行顏色識別，用基色光單位來表示光的量，任意色光F 都可以用R、G、B 三色不同分量相加混合而成，通過識別R、G、B 的值實現顏色判別。其顏色識別算法采用find_blobs 函數實現。同時本系統的形狀識別是通過攝像頭模塊首先保存標識物的形狀大小等信息，然后運行過程中通過提取圖片中物體的特征點與保存標識物特征點相比較實現形狀識別，其形狀識別算法采用find_keypoint 函數實現。

2.2 電磁炮充放電模塊設計

為了實現電磁炮自動充放電功能所設計的電路圖如圖2 所示。

電源經過逆變器轉化為交流電再經過整流為電容供能，通過控制模塊控制繼電器實現對電容充電。當充電完成后收到發射指令就控制放電部分電路繼電器閉合進行射擊。

2.3 激光測距模塊設計

激光測距原理是通過向前方射出一束很細的激光，由光電元件接收目標反射的激光束，然后測量激光在空氣中行走的時間來精確計算出目標距離。本系統激光測距模塊主要是使用鋸齒波雷達激光測距原理實現激光測距功能。其測距原理如圖3所示。

從圖3 的原理圖可得出本振信號的角頻率在一個周期內的表達式并對角頻率積分得到本振信號的相位為：

利用相位得到本振信號的函數然后經目標反射后被光電探測器所探測的發射光信號的角頻率、相位得到函數表達式為：

利用拍頻信號的電場強度并對拍頻信號電場強度的相位進行求導，得到拍頻信號的頻率為：

最終得到距離公式：

3 理論分析計算

3.1 初始動能計算

電磁炮炮丸所含動能越大其發射距離也隨之而增加，而電磁炮所含動能由電容所決定。電容儲能公式為：W = 0.5CU?，由公式可知電容兩端電壓越高，儲存能量越高。本系統選用逆變器將12V 輸入電壓轉變成220v 電壓，同時選用兩個450V，1000uf 的電容并聯作為儲能元件，可知電容最大儲能為W=48.4J。

3.2 彈道分析計算

根據電磁曲射炮發射狀態分析，電磁炮射出彈丸的軌跡可運用物理拋物線計算出炮彈的彈道。通過分析彈丸軌跡，將炮管的傾角、拋射高度以及距離進行整合及運算。其彈道如圖4所示。

圖4 炮丸彈道分析圖

設炮管與水平地面的傾角為α，子彈剛出管口時的速度為ν，炮口相對于地面的豎直落差為h，加速度為重力加速度g=9.8N Kg水平速度與垂直速度進行求解如下：

炮丸落地所需時間t 為：

炮丸落地距離s 為：

結束語

本設計以STM32 為主控芯片控制系統正常運行，使用攝像頭模塊實現對標識物定位識別，用激光測距模塊對標識物與電磁炮距離準確測量，并且將電磁炮架設在舵機驅動的炮臺之上實現對標識物打擊，使用繼電器實現弱電控制電磁炮的充放電，最后還使用矩陣鍵盤與顯示模塊實現電磁炮自動識別定位與充能打擊功能。