陸空一體探索、進攻機器人

南京航空航天大學金城學院 白千帆 張明霞 趙慧弢 馮時瑞

本文設計了一種車載電磁炮與伴飛無人機系統，采用多主控的方式，實現了由上位機控制、可自主探索的機器人。在機器人發現目標物時，機器人會自動瞄準目標，上位機發送開炮指令后，機器人會進行電磁炮充能并發射，摧毀目標。車體運動時，無人機實現實時跟隨伴飛，形成空中威懾。

本文設計的一種車載電磁炮與伴飛無人機系統，采用多主控芯片分別控制不同的部分：車體采用STM32G0作為主控，實現接收上位機的指令、采用PID控制車體行進、采集傳感器數據進行路徑規劃等功能；電磁炮識別采用OpenMV攝像頭，電磁炮二軸云臺采用STM32F0作為主控，通過串口接收數據對舵機進行PD控制；無人機采用STM32F4作為主控，實現飛控算法等功能。同時，分別設計并實現多電路板并行工作，保證了各部分的供電安全與高集成度。

隨著現代科技的發展和作戰戰術的發展，對小型智能導彈的需求越來越大。而電磁炮作為一種小型智能導彈，是目前國防以及科技發展的方向之一。其原理為使用洛倫茲力加速彈丸，比依賴化學能發射的傳統火炮更加精準，并且具有初速度快、加速度可控等優點。同時，電磁炮不僅可以廣泛應用在武器領域，其同樣可以應用在相關物理課堂教學中作為教學模型，激發學生的學習興趣。

1 系統總體設計

本項目是基于STM32的具有上位機遠程調控、車載電磁炮與無人機一體化的探索、進攻機器人設計。其中，車體部分采用萬象輪與后兩輪雙驅的設計，以STM32G0作為主控，結合激光測距雷達、Zigbee無線通信、2.4G無線通信、電機編碼器等設計而成。電磁炮部分采用二軸云臺方向設計，以STM32F0為主控，并搭載舵機供電電路。無人機部分以STM32F4為主控，搭載MPU9250、BMP280等外設。

系統采用上位機遠程調控與下位機自動運行結合的方式進行工作。車體部分行進的同時，OpenMV攝像頭進行實時圖像識別，一旦發現目標物立即瞄準并通過串口傳輸信號給電磁炮控制單元與車體控制單元。此時車體立即停車，電磁炮控制單元收到信號后，立即觸發繼電器，實現電磁炮電容充電、發射的動作。在此期間，無人機在車體部分行進時實現伴飛動作，并懸停在目標物附近，形成空中威懾。

2 系統硬件電路設計

2.1 電磁炮系統硬件電路設計

電磁炮系統硬件電路包括儲能電路、電容充電電路、電容放電電路和電容充放電開關電路。儲能電路采用4個1000UF電容器與6個220UF電容器，耐壓值為450V，并設有AD采樣分壓電路，可實現對彈丸的三級加速。電容充電電路采用繼電器控制，工作時由升壓模塊將12V輸入電源升壓至450V對電容進行充電。電容放電采用可控硅作為觸發器件，紅外管作為觸發信號源進行三級加速觸發。電容充放電電路接口為充電電路繼電器控制端口與第一級觸發電路控制端口。考慮到控制的安全性，采用兩路繼電器模塊進行控制，并預留I/O接口供二軸云臺控制單元進行控制。

2.2 二軸云臺系統硬件電路設計

二軸云臺系統采用兩路DS3120MG舵機，工作電壓為4.8V-6.8V，在4.8V時扭矩為18.2kg.cm，工作電流為1A，堵轉電流2.5A。考慮到供電電流較大，故在云臺控制電路板的設計中采用MP2482DN降壓BUCK電路，其最大工作電流為5A，可以滿足設計需求。同時，另采用AMS1117作為MCU以及OpenMV的線性電源。MCU采用STM32F030F4P6，預留串口接口與程序接口，接收到控制信號后立即對兩個舵機進行PD控制。同時，也可以通過預留的板載按鍵進行簡單操控。二軸云臺原理圖如圖1所示。

圖1 二軸云臺原理圖

2.3 車體系統硬件電路設計

車體系統采用STM32G070CBT6作為主控芯片，其芯片資源豐富，擁有4路串口，能夠滿足此次設計的需求。車體系統電路板采用L7805CD2T與XC6206芯片進行供電，并板載TB6612FNG電機驅動芯片與兩路電機接口。同時，預留出4路串口等接口，外接Zigbee無線通信模塊、激光雷達模塊、2.4G無線通信模塊等。車體系統原理圖如圖2所示。

圖2 車體系統原理圖

2.4 無人機系統硬件電路設計

無人機系統采用STM32F411CEU6作為主控芯片，并板載MPU9250、BMP280等外設，方便在飛行時進行傳感器數據的讀取。各芯片的封裝均為UQFN封裝并采用四層板設計，方便縮小電路板體積，提高結構穩定性。

3 系統軟件設計

3.1 二軸云臺系統軟件設計

系統通過預留串口接收OpenMV攝像頭的圖像處理信息，接收其計算好的圖像與電磁炮準心偏差值，當角度在系統設定的范圍內時，直接對舵機進行控制，否則則偏轉最大范圍。數據傳輸的結構為形如“M1xxx”，“M2xxx”的五個字符組成的字符串。其中，“M1”表示控制縱向舵機，“M2”表示控制橫向舵機，“xxx”表示計算出的定時器CCR寄存器值的比較值。主控芯片STM32F030F4P6通過定時器3通道1和通道2生成對應占空比的PWM波來改變舵機的位置。

3.2 車體系統軟件設計

系統上電后進行模式選擇，通過上位機Zigbee模塊發送相應指令或通過電路板板載按鍵進行選擇，可設置自動探索模式與手動操作模式。自動探索模式通過采集激光雷達數據進行路徑分析，通過一種蛇形路徑規劃方案來實現車體系統的自動探索，如圖3所示。手動操作模式通過接收上位機的指令進行相應的移動，包括：前進、后退、左右轉、停車以及相應的速度設置等。同時，車體系統搭載24L01無線傳輸模塊，可以將運動指令實時傳輸給無人機。

圖3 蛇形路徑規劃方案

3.3 OpenMV軟件設計

圖像數據由OpenMV感光芯片收集，并回傳160*120分辨率圖像，通過對圖像的預處理，采用顏色識別的方式，對圖像中的最大在提前設定好的顏色閾值內的色塊進行框選，取出最大色塊的像素信息及位置信息對其處理，通過計算獲得電磁炮準心與目標物的偏差值。對于獲取的偏差值，將其送入PID控制器中，通過控制器的計算，得到舵機云臺水平和俯仰的輸出值，通過OpenMV串口將輸出值傳送給二軸云臺系統主控，通過STM32實現對舵機的進一步控制。

結語：本文設計了一種基于STM32的具有上位機遠程調控、車載電磁炮與無人機一體化的探索、進攻機器人設計。通過Zigbee模塊可以使上位機與下位機相連，傳輸信息并進行控制。車體探索過程中，OpenMV攝像頭實時進行識別，發現目標物后，二軸舵機云臺系統實時進行瞄準，并在上位機發送開炮指令后，進行電磁炮充能并發射，摧毀目標。車體運動時，無人機實現實時跟隨，形成空中威懾。實際作品如圖4所示。