智能模擬電磁炮控制系統(tǒng)設(shè)計

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 黃劍林 蔡志遠 尹錦山

本文設(shè)計的系統(tǒng)主要由STM32f103C8T6控制，描述了以O(shè)PENMV4為圖像處理模塊的電磁槍控制系統(tǒng)的設(shè)計。通過OPENMV4對引導(dǎo)簽名的圖像識別和捕捉處理，可以確定水平偏轉(zhuǎn)角和目標點的距離。電容器充電電壓由AD部分電壓采樣和MOS管充電控制。確立電磁槍的電容電壓和發(fā)射距離之間的數(shù)學(xué)模型。通過調(diào)整電容電壓值，子彈可以達到目標點。最終測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可以自動獲得3m以內(nèi)的感應(yīng)信息，并且可以實現(xiàn)準確的發(fā)射。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)的發(fā)展，對小型智能導(dǎo)彈的需求越來越大。微系統(tǒng)和集成技術(shù)的應(yīng)用為低成本精確制導(dǎo)武器的發(fā)展提供了可能。為了使電磁槍在日常生活中得到更廣泛的應(yīng)用和更具實際意義，有必要設(shè)計一種小型化、便攜式的智能電磁槍。本設(shè)計是一種智能模擬電子控制系統(tǒng)，可以通過圖像處理自動捕獲目標并獲得水平偏角和距離，然后一鍵啟動傳輸，可以準確地進行標點。

1 總體設(shè)計方案

本項目研究的是基于STM32的遠程調(diào)控“電磁坦克”設(shè)計，需要用到STM32芯片的各個模塊，比如：藍牙模塊、舵機模塊、攝像頭模塊等，還需要學(xué)習(xí)電路、機械等知識，設(shè)計電磁炮的電路、“電磁坦克”的內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)。

本項目的難點在于如何將“電磁坦克”下部分的STM32小車和上部分的STM32電磁炮模塊完美兼容，上下兩個部分都由STM32芯片驅(qū)動，分別用到了STM32芯片的不同模塊，而如何調(diào)整代碼使這些模塊協(xié)同工作是本項目的難點，也是重要研究內(nèi)容。

本項目將要實現(xiàn)的目標是：完成好“電磁坦克”的底層代碼，實踐后不斷調(diào)整底層代碼的漏洞，使其能完美驅(qū)動“電磁坦克”。此外，搭建好“電磁坦克”的各個模塊、電路及其內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)也是本項目需要實現(xiàn)的目標。而最終的目標也應(yīng)當(dāng)是做出一個代碼邏輯自洽的、外表美觀的、具有一定威力的“電磁坦克”。

基于STM32的遠程調(diào)控電磁坦克項目的預(yù)期成果：“電磁坦克”可通過藍牙連接到手機，使用手機對它發(fā)出各種指令，操作它的移動方向、彈道等。通過手機遠程操縱，既增加了安全性又使操作簡單化。此外，采用攝像頭顏色捕捉技術(shù)可以通過它自動瞄準物體，對物體進行打擊，也就是說“電磁坦克”有兩種工作方式，一種是手動控制（通過藍牙），另一種是自動打擊（利用攝像頭模塊）。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 電磁炮系統(tǒng)電路設(shè)計

電磁炮電路包括四個部分：控制及其外圍電路、電容充電和ADC采樣電路、電容充電開關(guān)電路和電容放電開關(guān)電路。

大容量電容器采用10000UF/100V電容器，電容器耐壓為100V，兩端均設(shè)有ADC采樣分壓電路。其采用3.3V-5V調(diào)壓控制器和50Ω的電源電阻，降低充電速度，控制方便。可以采用光耦將微控制器與電容充電開關(guān)隔離，避免因誤操作燒毀微控制器；其開關(guān)電路采用MOS管，M為電壓驅(qū)動型，可與電壓連接，主要用于大功率、大電流、高電壓等情況下；由于電磁槍在放電瞬間產(chǎn)生大電流，采用25A大功率繼電器控制放電，單片機I/O口晶體管使12V繼電器放電電容。

2.2 藍牙車系統(tǒng)電路設(shè)計

本模塊使用5V電源，需要使用到2個可調(diào)降壓模塊使鋰電池電源供調(diào)節(jié)電壓以滿足系統(tǒng)需要，保證能夠為MCU及所用到的模塊提供其所需要的電壓使它們正常工作，這是完成項目的前提。通過調(diào)壓電路調(diào)壓從而改變電磁炮充電儲能，以便控制電磁炮的射程大小。

2.3 MCU硬件資源的分配

根據(jù)MCU不同I/O口所具有的硬件資源將不同模塊接在合適的I/O口上，以合理使用硬件資源。此外，大多數(shù)模塊采用串口通信，為了滿足模塊實現(xiàn)其功能并能夠進行相互間的通信從而滿足項目需要，需要將MCU的串口資源進行分配使其不存在沖突，以便順利完成項目所需要的功能。其中，藍牙通訊模塊使用USART4、OPENMV4與STM32，通訊使用USART3，此外MCU的定時器資源也需要分配給各個模塊，以防止因為發(fā)生定時器的沖突而影響模塊功能的實現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計

3.1 STM32芯片程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后使硬件設(shè)備初始化，通過串行端口分析OPENMV4的圖像處理信息，將進入當(dāng)前工作模式，進入相應(yīng)的工作狀態(tài)。通過比較AD當(dāng)前目標距離對應(yīng)的電壓值，判斷有無點火。

為了防止執(zhí)行時間過長導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性惡化，STM32f103C8T6提供了由系統(tǒng)計時器觸發(fā)的串?dāng)_檢測和分析、鍵檢測、畫面顯示和四個任務(wù)之間順序切換的調(diào)度硬件。每一個系統(tǒng)都需要一個系統(tǒng)來保持系統(tǒng)的周期性，因為每一個系統(tǒng)都需要一個系統(tǒng)來生成一個系統(tǒng)的系統(tǒng)。用戶程序不能自由訪問那個寄存器。

3.2 OPENMV4設(shè)計

圖像數(shù)據(jù)由OPENMV4感光芯片收集，并且在原始圖像中發(fā)現(xiàn)了預(yù)設(shè)值范圍內(nèi)的像素。pre值是實驗室顏色空間中L、a、B三個通道值的范圍。ENMV編程時，預(yù)先設(shè)置范圍，此范圍的目標是光線，這些像素點通過高斯平滑濾波來防止噪聲干擾。查找由圖像中像素構(gòu)成的最大色塊，計算色塊中心圖像中的坐標位置。使用PID算法控制舵手的旋轉(zhuǎn)使其與目標坐標一致，從而使目標對準，完成所有控制。為了減小由于像素丟失而引起的誤差，僅選擇水平和垂直位置上的最大像素以減少誤差。最后，目標距離和水平偏轉(zhuǎn)角返回到STM32。

圖2 程序執(zhí)行流程圖

3.3 藍牙通信模塊

藍牙模塊使用H C-0 5 模塊，該模塊將藍牙芯片BC41713、Flash存儲器芯片M29W800及藍牙天線等一體化。STM32F103經(jīng)由串?dāng)_與藍牙模塊連接，接收用于發(fā)送移動電話藍牙的控制命令，每個組的控制命令包括兩個字節(jié)，第一個字節(jié)包括控制號，第二個馬達速度控制PWM值，這兩個字節(jié)包括藍牙電機控制程序被用作M的兩個參數(shù)。STM32F103處理器的PWM信號生成通過將STM32F103的計時器設(shè)置為PWM模式而生成的智能汽車馬達的PWM控制信號。STM32的TIM2～TIM5的每一個計時器可以同時生成4路輸出。TIM2～TIM5的PWM輸出通過改變自動重載寄存器ARR的值來改變PWM信號輸出的周期，變更CCR的值來改變信號的占空比。通過藍牙模塊接收來自移動電話的控制信號，從而實現(xiàn)對兩個步進電機的正反轉(zhuǎn)控制，實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)和當(dāng)前小型車的前進、后退、旋轉(zhuǎn)、停止。網(wǎng)絡(luò)照相機能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與客戶機的連接，將小型車周圍的環(huán)境畫面?zhèn)魉徒o客戶機來進行控制。傳感器信息通過藍牙模塊直接發(fā)送給客戶。小汽車可以正常行駛和試車。圖2為程序執(zhí)行流程圖。

結(jié)束語：本文設(shè)計了一種基于藍牙控制的無線遙控車。通過計算汽車的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以使步進電機、驅(qū)動器和加載結(jié)構(gòu)更好。通過藍牙檢測和發(fā)送信息，智能手機與車輛系統(tǒng)之間的藍牙通信是通過智能手機上的Android軟件設(shè)計建立的，擴展了由智能車輛控制器使用的藍牙串行模塊與處理器之間的串行通信模式。車輛通信部的藍牙開發(fā)通過串行通信方式實現(xiàn)，大大降低了藍牙通信開發(fā)的難度。STM32處理器的內(nèi)部定時器的多通道PWM輸出功能實現(xiàn)了車速的便利控制。通過實際的駕駛測試，通過手機藍牙能夠高速應(yīng)答和短距離控制車體。

可以設(shè)想到在作戰(zhàn)愈發(fā)現(xiàn)代化的今天，無人坦克適應(yīng)了其變化趨勢。基于無人、輕便、大量、機動理念設(shè)計制作的產(chǎn)品不僅適用于正面戰(zhàn)場，它兼顧特種兵的部分性質(zhì)，可期待未來替代特種兵執(zhí)行具有相當(dāng)危險性的工作。