基于OpenMV的遠程拋射系統設計與實現

李嘉明 溫梓南 馮建 徐操喜

摘要：該文結合機器視覺技術和電子控制技術，設計了一款基于OpenMV的遠程拋射系統。該系統包括直流降壓電源模塊、OpenMV模塊、舵機模塊、電容充放電模塊、繼電器模塊，系統能識別攝像頭所拍攝圖像內的目標色塊，并自動完成拋射方向的校準和彈丸的發射。實驗數據表明，拋射炮口與目標參考點在水平方向上分別偏移了15°、30°、45°時，系統均能完成自動追蹤，并能精準拋射到預定目標點。

關鍵詞：機器視覺;電子控制;OpenMV;舵機;自動追蹤

中圖分類號：TP301? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）01-0131-03

常規物體拋射器發射裝置的動力來源于火藥燃氣或壓縮氣體，采用這種動力進行拋射，存在著安全系數低、動力輸出不可控等問題。電磁炮可以利用電磁能推動物體運動[1]，在動力拋射器中用電磁驅動方式代替壓縮氣體或者火藥燃氣，能顯著提高安全性能。與傳統的火藥推動的大炮相比，電磁炮可大大提高彈丸的速度和射程。

目前，國內的電磁炮技術正在逐漸發展，但是仍存在精度不夠等問題[2]。設計小型化、便攜式的智能電磁炮，具有一定的現實意義[3-5]。本文主要對模擬電磁炮的控制系統進行研究，運用圖像處理的相關方法，掃描并識別攝像頭監控范圍內的目標，實現電磁拋射器自動、精準地鎖定拋射方向。

1 系統總體設計

系統總體設計可分為拋射系統機械部分的設計和硬件控制部分的設計。

機械設計部分由纏繞了若干線圈的PVC管、亞克力材質的支架、磁性彈丸組成。這種電磁炮屬于線圈炮，以同步線性馬達的方式將磁性拋射物加速到極高的速度，炮管內的彈丸獲得足夠大的動能并被發射出去。

硬件控制部分由直流降壓電源模塊、OpenMV模塊、舵機模塊、電容充放電模塊、繼電器模塊組成，設計框圖如圖1所示。其中，OpenMV模塊的主控芯片是STM32F767，并且板載一個攝像頭，攝像頭能夠實時讀取當前所拍攝的畫面，主控芯片檢測到后，識別目標并計算目標點坐標軸偏移量，輸出PWM驅動舵機轉動，攝像頭也隨之轉動，當攝像頭對準目標參考點后，主控芯片輸出控制信號改變繼電器的狀態，觸發大電容放電，使繞制在PVC管上的線圈產生交變電流，從而將彈丸發射出去。

2 系統硬件設計

2.1 直流降壓電源模塊

直流降壓電源模塊負責為OpenMV模塊、舵機模塊、繼電器模塊供電，將9V電池提供的輸入電壓轉換成5V輸出電壓，用作系統的電源。所選的直流降壓模塊主芯片是廣泛應用于航模的電源管理芯片MP1584EN，可分為輸出電壓可調和輸出電壓固定兩類。本文所選用的直流降壓模塊屬于輸出電壓固定為5V，輸入的直流電壓范圍為7V-28V。因為模塊內有穩壓芯片AMS1117，所以輸出電壓有5V和3.3V兩種。

2.2 OpenMV模塊

OpenMV是一個開源的機器視覺模塊，以STM32F767為主控芯片，擁有豐富的硬件資源，引出UART，I2C，SPI，PWM，ADC，DAC以及GPIO等接口方便擴展外圍功能。OpenMV還集成了OV7725攝像頭芯片，內置了C語言實現的核心機器視覺算法，并提供了Python編程接口，支持micropython的語法。內置的機器視覺算法包括尋找色塊、人臉檢測、眼球跟蹤等，可用來實現非法入侵檢測、產品的殘次品篩選、跟蹤固定的標記物等應用場合。在OpenMV開發板上進行開發無須專用的下載器和調試器，板上的USB接口可用于連接電腦上的集成開發環境OpenMVIDE，協助完成編程、調試和更新固件等工作。

2.3 舵機模塊

舵機模塊的型號是mg995，屬于數碼舵機，工作電流100mA，工作電壓3V-7.2V，工作扭矩為13kg/cm，具有三根輸出線，分別是接電源正極、電源負極、信號線。信號線與單片機的I/O引腳相連接，接收單片機發出的PWM控制信號。舵機的控制一般需要一個20毫秒的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5毫秒～2.5毫秒。高電平部分持續的時間越長，則占空比越大，舵機轉動的角度也越大。因此，通過控制單片機I/O引腳輸出不同占空比PWM信號，可以驅動電機轉動不同的角度，以達到調整炮管指向的目的。

2.4 繼電器模塊

本系統采用工作電壓為5V的電磁繼電器，來實現對電磁炮彈丸發射的控制需求。OpenMV模塊的一個輸出引腳經過限流電阻接入三極管的基極，當該輸出引腳輸出低電平時，三極管基極的輸入電壓趨近于0V，三極管截止，繼電器線圈無電流流過，繼電器處于釋放狀態。反之，當控制引腳輸出高電平時，三極管導通，此時足夠大的電流流過繼電器線圈，繼電器銜鐵處于吸合狀態，改變輸出端觸點的連接，從而使大電容放電，彈丸瞬間獲取足夠大的動能發射出去。

2.5 電容充放電模塊

電容充放電模塊上有兩個按鍵，分別是S1和S2，使用單獨的電池給大電容提供電能，配合直流升壓電路完成大電容的充電過程。充電時，需按下開關按鍵S1導通電路，大電容開始充電。當大電容充滿電后，可使用手動控制或者自動控制啟動大電容的放電過程。手動控制即按下按鍵S2，大電容迅速放電為線圈充能，使炮管中的彈丸獲得足夠的動能而發射出去。自動控制是結合OpenMV和繼電器模塊來完成，發射彈丸時OpenMV改變相應輸出引腳的電平信號，改變繼電器觸點的接通狀態，實現與手動按下按鍵S2相同的效果。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件總設計

系統軟件總體設計流程圖如圖2所示，系統上電后，首先進行各模塊的初始化，包括舵機控制引腳的配置、感光模塊sensor的配置、關閉自動白平衡等操作。模塊初始化完成后系統進入目標識別的階段，OpenMV攝像頭采集圖像數據并發送給主控芯片處理，若目標識別不成功，則重新進行目標識別，否則進入姿態調整階段。在姿態調整階段，OpenMV將會根據目標識別階段計算的偏移量換算成偏移的角度值，再轉換成相應的PWM信號輸出，驅動舵機轉動，使得攝像頭對準目標參考點。

3.2 目標識別

采用圓形色塊模擬目標點，參考點為圓形色塊的圓心，將色塊置于攝像頭能拍攝的范圍內，OpenMV實時獲取攝像頭所拍攝的圖像，目標識別階段的軟件流程圖如圖3所示。首先，設定色塊的閾值，使用的顏色模型是Lab，L表示顏色的亮度，a和b是色彩通道，a值越大，越接近紅色，負數a值越小，顏色偏綠，b值越大，越接近黃色，負數b值越小，顏色偏藍，分別設定L、a、b的最小值和最大值，圖像中的色塊顏色只有在所設定的最大值和最小值區間，才會被當作有效色塊進行處理。隨后迭代尋找圖像中的最大色塊，計算出最大色塊的圓心坐標和修正參數，完成目標的識別。

3.3 姿態調整

OpenMV識別到有效色塊后，便會運行姿態調整的程序，根據目標識別階段得出的修正參數，判斷是否需要發送轉動舵機的指令以及轉動的度數，程序流程圖如圖4所示。首先設定PID算法的參數，PID是比例、積分、微分的縮寫，將偏差的比例P、積分I和微分D通過線性組合構成控制量，用這一控制量對被控對象進行控制。合理地設置PID算法中各個環節的參數，可以避免控制過沖或不足的現象，并且達到較理想的響應速度。結合PID算法，將修正參數轉換成相應的PWM波驅動舵機轉動。

4 系統測試

系統軟硬件開發完畢后，將各部件組裝調試，實物圖如圖5所示。

為測試系統自動識別目標的有效性和發射彈丸擊中參考點的準確性，設計了如下實驗。在距離攝像頭50厘米處豎直放置了打印有圓形色塊的紙張，攝像頭與炮口的方向一致，當攝像頭在水平方向上正對色塊中心時，認為系統與目標點水平偏移的角度為0度。設計對照實驗，紙張上的色塊均為顏色相同且直徑為13厘米的圓，設置攝像頭與色塊中心的水平方向上的偏移角度分別為15°、30°、45°，在每一種偏移角度下，運行系統使得OpenMV自動識別并轉動舵機與色塊中心點對齊，對齊后驅動繼電器將充滿電的電容放電，發射彈丸，每種偏移角度測量三次，記錄落在色塊紙張上彈丸的落點與圓心的距離，實驗結果如表1所示。

從表1的結果中可知，不同偏移角度經過OpenMV的自動識別追蹤之后，所發射的彈丸均落在圓形色塊內，落點偏離圓心的距離均在4.7厘米以內，小于色塊的半徑6.5厘米。在攝像頭與目標色塊偏移不同角度的情況下，系統均能自動完成目標的自動追蹤和精準射擊，系統功能達到預期要求。

5 結束語

本文設計并實現了自動追蹤目標的模擬電磁炮系統，借助OpenMV以及Python的圖像處理庫識別圖像中的目標，根據預存的Lab顏色模型閾值判斷是否為目標色塊，識別到目標色塊后提取出目標的橫縱坐標的位置信息，并最終換算成舵機轉動的修正參數。實驗數據表明，本系統能有效地識別圓形色塊、控制舵機轉動、發射模擬電磁炮彈丸，對新型動力拋射系統的發展具有一定的參考價值。

參考文獻：

[1] 蘇瑞，于浩，周沛澤，等.基于openmv的電磁炮智能控制系統[J].科技視界，2019（30）：47，50.

[2] 徐靖琛，匡迎春，王豪杰.模擬電磁曲射炮射擊智能控制系統[J].現代計算機，2019（34）：28-31，40.

[3] 黃佳琪，王善偉，毛凌青，等.智能模擬電磁炮控制系統設計[J].電腦知識與技術，2020，16（5）：225-226.

[4] 林政宇，王福杰，秦毅，等.基于OpenMV視覺伺服的高精度電磁炮實驗裝置系統[J].中小企業管理與科技（中旬刊），2021（4）：182-183.

[5] 劉賽南，李東升，何月陽，等.智能掃描定位電磁炮設計[J].科學技術創新，2020（31）：79-81.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2021-10-15

基金項目：一種新型動力的救援物資拋射器研究與實現（校級科研課題）

作者簡介：李嘉明（1993—），男，廣東梅州人，碩士，研究方向為物聯網技術;溫梓南（1998—），男，廣東番禺人，大專，研究方向為物聯網技術;馮建（1983—），男，廣東高州人，實驗師，碩士，研究方向為嵌入式與自動控制;徐操喜（1983—），男，安徽潛山人，講師，碩士，研究方向為物聯網技術、職業教育。

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