基于機器視覺與AR的電磁炮瞄準系統

劉逸超 謝智鑫 何子瑨

摘要：本項目構造出電磁炮的模擬系統，目的是構建出一套完整的具有繼承性的電磁炮瞄準系統，具體實現定點發射、智能控制調節、動態目標捕捉功能，并在此基礎上利用AR技術構造出虛擬環境下的電磁炮。

關鍵詞：動態目標捕捉；AR技術；智能控制

一、背景介紹

電磁炮是一種遠程、高能、多任務的武器，也是一種不太昂貴、具有高殺傷力和遠程打擊能力的攻擊性武器。中國電磁武器的發展情況良好，性能已經很先進，射程能達600公里超美1倍，但是，如此高速和超遠程的武器如何瞄準卻成難題。此外，電磁炮的研究門檻極高，只有在從事國防事業的高端人士才有機會接觸，這使得在該領域無法廣集思路，有興趣的人無從動手了解。

二、核心技術

1.電磁炮硬件模擬系統

為完成電磁炮的瞄準系統，需要構建一套符合實際情況的模擬電磁炮，由此瞄準系統才有實際意義。經計算，我們以1：100的比例搭建模擬系統，最大限度地還原實際情況。

采用STM32系列單片機作為主控芯片，電磁炮的定位、瞄準程序基本在此完成。其具有執行代碼效率高,工作頻率高，外設資源豐富，I/O口資源豐富等眾多優點，適用于本系統。

電壓方面使用低壓方案。以安全性和合法性考慮，系統的發射能量滿足要求即可，因此用于模擬系統所需的初速度不需要太大，且低壓狀態下增加電容數量也能放出大電流。此方法降低了升壓的難度，低壓狀態下系統也較為安全。

供電上使用普通電解電容供電，MOS管作為開關。由電磁炮原理可知，我們需要給線圈一次短暫的通電，來提供電磁力推動彈丸。直流電供電慢，無法在短時間內提供大電流，因此使用電解電容。電解電容具有放電速度極快的特點，能夠瞬間放出大量電流，使線圈在短時間內產生電磁力，推動彈丸發射。且MOS管具有很高的開斷速度，適合用于本系統，單片機通過輸出的脈沖寬度即可控制彈丸發射的初速度。

2.控制動態算法：

電磁驅動器和系統控制器設計：設計制作出適合電磁炮發射的驅動器，通過狀態反饋控制，PID 控制等算法，驅動電磁炮實現動態精確；

自適應PID控制算法：輸入或識別得到的距離d，通過PID算法，調節單片機輸出的PWM波，以此調節舵機轉角。比例算法反映的是當前狀態的情況,也就是目標距離d與落地點X的差值(Ek=d-X),Pout=Kp*(d-X),Kp為比例系數,在本系統最佳比例系數Kp=0.5。積分算法反映的是過去狀態的情況,也就是目標距離d與落地點X差值的積分比例的情況,Iout=Ki*Ti*SEK，本系統最佳比例系數Ki=0.1，微分算法反映的對未來情況的預測即Dout=Kd*Td* DelEk(DelEk=Ek-Ek)。考慮到當僅存在比例算法時若調節達到了預設值將會失去比例調節的作用,此時應該有其它的調節部分來彌補,且本系統不需要微分調節，故本系統最終采用的是比例加上積分的算法模式。

卡爾曼濾波算法：卡爾曼濾波是一種利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。運用此算法能夠從一系列存在測量噪聲的數據中，估計動態系統的狀態. 由于, 它便于計算機編程實現, 并能夠對現場采集的數據進行實時的更新和處理, 有利于增加控制電磁炮精度，提高發射準確度。

3.基于HSV模型的機器視覺算法

該算法的基礎方面是利用OpenMV進行顏色識別，以紅色為例，我們需要通過顏色識別算法將圖片中的紅色區域同背景分開，但是在實際情況中，視野中可能還存在其他的紅色背景，所以在分割的時候還需要將這些噪聲去除。為此我們使用HSV模型，攝像頭采集的圖像是基于RGB空間的,因此可以通過對應算法,完成RGB到HSV空間的轉換，進而將圖片分割出來，為了解決顏色分割后出現的噪聲，利用中值濾波去除面積較小的點狀噪聲，后采用區域生長方法濾除較大噪聲。完成了圖像的分割，才能夠將圖像進行代數處理。

4.基于AR技術的虛擬電磁炮

本項目借助 Vuforia SDK來實現識別模塊功能，同時利用Smart Terrain可以在AR環境下對物理環境進行重構。該功能支持識別并跟蹤現實世界的物體與表面，并將識別后的對象用作Unity中的地形，更好地實現現實和虛擬的融合。

三、創新點與項目特色

1.項目創新性引入AR技術，將模擬系統與虛擬系統相結合，在虛擬環境下可提前模擬出真實電磁炮的發射路線以及對應的模型的景觀,進而可以提前對電磁炮進行選型和參數的調整，有利于節約大量成本，減少誤差。同時虛擬電磁炮能以軟件形式發表出去，突破空間、時間以及其它客觀限制,讓廣大愛好者都能參與研究與討論。

2.項目創新性加入目標跟蹤算法，提升了視覺系統的實時性。利用 OpenMV 完成圖像采集，通過微處理器對采集圖像做圖像處理、目標檢測、目標運動預測、目標跟蹤等，及時將位置反饋于單片機，在擬合出物體的運動軌跡以后，預測運動目標的下一時刻位置坐標，最后利用 PID 算法由微處理器輸出 PWM 波、控制云臺系統，從而達到對運動物體實時跟蹤的目的。

3.本項目將機器視覺與AI算法引入到軍事領域中，使電磁炮的瞄準更加智能化，能夠更加精準的識別圖片和物體并捕捉信息，并自動擬合出軌跡路徑并選擇最優途徑，同時機器視覺算法融合提高了整個系統的實時性，面對現實世界各種復雜情況能夠正確應對，未來可實現人工智能控制。

四、結語

針對有興趣研究模擬電磁炮的廣大受眾。本設計的內容是模擬電磁炮與機器視覺和人工智能結合的一次大膽創新，不但使學生接觸該學科的前沿領域，進一步加深對自身所學知識的理解和應用，而且培養了其創新精神、創業以及團隊合作能力，實施范圍可以擴展至全國甚至于軍事院校，只要一套模擬電磁炮，就可實現虛擬的模擬以及感受，使得廣泛愛好者以及學習者受益其中。

五、參考文獻

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