嵌入式模擬電磁曲射炮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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【摘要】電磁曲射炮的研究對(duì)于軍事和工業(yè)領(lǐng)域都有極為重要意義。為提高電磁曲射炮控制效果，現(xiàn)設(shè)計(jì)采用嵌入式技術(shù)的STM32單片機(jī)為核心模擬電磁曲射炮系統(tǒng)，對(duì)工作模擬電壓進(jìn)行采集，協(xié)助遙控手柄對(duì)角度傳感器炮口仰角幅度進(jìn)行調(diào)整，創(chuàng)新引入大數(shù)據(jù)技術(shù)的控制專家?guī)鞌?shù)據(jù)且采用圖像處理電路來實(shí)現(xiàn)電磁曲射炮自動(dòng)搜尋目標(biāo)，并在OLED液晶屏上顯示當(dāng)前電壓和角度，而后實(shí)施炮擊目標(biāo)環(huán)形靶，完成發(fā)射后記錄命中情況并更新控制專家?guī)?，?shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁曲射炮瞄準(zhǔn)與射擊的自動(dòng)控制和優(yōu)化。

【關(guān)鍵詞】嵌入式；STM32；大數(shù)據(jù)技術(shù)；電磁曲射炮

電磁曲射炮顧名思義是用電磁力發(fā)射彈丸并力求準(zhǔn)確命中目標(biāo)[1]，而能夠通過電磁力發(fā)射的彈丸一般使用鐵珠或者鋼珠[2，3]。為了更好地研究電磁曲射炮，結(jié)合電磁學(xué)、力學(xué)等理論，本文模擬設(shè)計(jì)一種基于嵌入式與大數(shù)據(jù)技術(shù)的模擬電磁曲射炮系統(tǒng)。結(jié)合嵌入式技術(shù)目的是為了設(shè)計(jì)的電路系統(tǒng)體積小，運(yùn)算速度快，穩(wěn)定性強(qiáng)，低功耗，而且功能強(qiáng)大[4]；結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)目的是為了建立控制專家?guī)鞌?shù)據(jù)[5]，記錄每一次發(fā)射前后的所有電路參數(shù)和發(fā)射效果，通過算法模型不斷優(yōu)化自動(dòng)控制參數(shù)，以提高電磁曲射炮控制效果。文章采用內(nèi)核是ARM32位Cortex-M3CPU的STM32單片機(jī)，并采用DC-DC升壓恒壓恒流可調(diào)電路和ADXL345傾斜度角度傳感器，程序設(shè)計(jì)時(shí)在每次發(fā)射任務(wù)初始化時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接云端服務(wù)器獲取控制專家?guī)鞌?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和參考，且在發(fā)射完成后注意更新控制專家?guī)鞌?shù)據(jù)。相比市面已有的模擬電磁曲射炮，本次設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)精度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng)，可以在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行推廣。

1電路模塊的設(shè)計(jì)

1.1電路硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由嵌入式單片機(jī)主控芯片電路、按鍵電路、角度傳感器、繼電器模塊、舵機(jī)云臺(tái)控制電路、AD采集電路、圖像處理電路、顯示電路、語音播報(bào)電路及無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)電路十個(gè)電路模塊組成。首先主控芯片采集舵機(jī)控制電路中的角度傳感器和圖像處理電路中的信息數(shù)據(jù)，同時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)電路接收云端服務(wù)器控制專家?guī)鞌?shù)據(jù)進(jìn)行參考，再由主控芯片發(fā)送指令到舵機(jī)控制電路，從而自動(dòng)搜尋目標(biāo)，再由繼電器電路控制大功率電容的充放電，從而來實(shí)現(xiàn)電磁曲射炮的發(fā)射。電路硬件系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1.2嵌入式單片機(jī)主控芯片電路

嵌入式單片機(jī)主控芯片電路包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、復(fù)位按鍵和OLED液晶顯示，主控芯片采用STM32系列的ARM32位Cortex-M3CPU。若復(fù)位按鍵按下，則單片機(jī)的所有數(shù)據(jù)恢復(fù)到最初始的狀態(tài)，PA、PB、PC、PD口則用于傳輸顯示數(shù)據(jù)，OLED則是實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作時(shí)的電壓值、仰角角度。單片機(jī)主控芯片電路如圖2所示。

1.3電磁曲射炮DC－DC升壓恒壓恒流可調(diào)電路

由于該電磁曲射炮系統(tǒng)發(fā)射彈丸時(shí)，電感線圈需要產(chǎn)生比較強(qiáng)的磁場(chǎng)，從而電感線圈兩端的電壓需要較大，10多伏的電壓是達(dá)不到要求，所以需要用到大功率電容充電且還具有輸入可調(diào)欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)、短路保護(hù)及反接保護(hù)等功能的升壓恒壓恒流及可調(diào)電路，電壓可從10－12V升到95－100V，調(diào)節(jié)電位器RP1的阻值大小就可調(diào)節(jié)電壓的放大倍數(shù)，如圖3所示。

1.4充放電電路

該充放電電路主要就是為了給儲(chǔ)能電容C4充電及放電，正常情況下繼電器一直處于常閉端，所以儲(chǔ)能電容C4一直處于充電狀態(tài)，但當(dāng)開關(guān)S1按下時(shí)，繼電器從常閉端打到常開端，儲(chǔ)能電容C4進(jìn)行放電，從而電感線圈瞬間產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，使彈丸飛射出去，電路如圖4所示。

1.5舵機(jī)云臺(tái)控制電路（含圖像處理模塊和角度傳感器電路）

舵機(jī)云臺(tái)控制電路包括舵機(jī)、云臺(tái)、角度傳感器模塊電路及圖像處理模塊。首先，由圖像處理電路對(duì)引導(dǎo)標(biāo)識(shí)進(jìn)行識(shí)別采集信息，將信息傳輸至單片機(jī)主控芯片，再由單片機(jī)主控芯片發(fā)送指令至舵機(jī)云臺(tái)自動(dòng)搜尋目標(biāo)。角度傳感器模塊（ADXL345）可通過SPI（3線或4線）或12C數(shù)字接口訪問，由圖像處理電路所采集到的數(shù)據(jù)，可用手柄調(diào)整，也可自動(dòng)調(diào)節(jié)，電磁曲射炮的仰角角度。電路如圖5所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1電磁曲射炮系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序由C語言編寫，電路上電后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，加速度傳感器自我校準(zhǔn)，舵機(jī)云臺(tái)炮口回到初始值角度，OLED顯示屏當(dāng)前角度、設(shè)定電壓值等參數(shù)，然后等待按鍵操作，進(jìn)行按鍵輸入和調(diào)整，可以進(jìn)行手動(dòng)開炮以及自動(dòng)開炮模式的切換，普通手動(dòng)智能開炮操作需要分別輸入靶心距離、引導(dǎo)標(biāo)識(shí)別到炮臺(tái)與水平夾角、與環(huán)形靶心到炮臺(tái)與中心軸的夾角，按下確認(rèn)鍵，系統(tǒng)將進(jìn)行發(fā)射操作。無論是手動(dòng)輸入環(huán)形靶中心與定標(biāo)點(diǎn)距離，還是自動(dòng)識(shí)別環(huán)形靶定標(biāo)點(diǎn)距離，都先通過無線網(wǎng)絡(luò)從云端服務(wù)器獲取控制專家?guī)鞌?shù)據(jù)，參考?xì)v史數(shù)據(jù)中最優(yōu)的控制數(shù)據(jù)并結(jié)合本次發(fā)射實(shí)際要求，計(jì)算目標(biāo)距離、發(fā)射角、發(fā)射電壓等各項(xiàng)參數(shù)，然后根據(jù)控制數(shù)據(jù)調(diào)整電磁曲射炮炮口仰角及方向，控制儲(chǔ)能電容的充電和放電，彈丸發(fā)射出去后記錄本次發(fā)射所有運(yùn)行數(shù)據(jù)并上傳云端服務(wù)器更新大數(shù)據(jù)分析所需的控制專家?guī)煨畔?，最后將結(jié)果反饋至顯示屏即完成本次整個(gè)發(fā)射過程。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

2.2環(huán)形靶識(shí)別控制程序設(shè)計(jì)

對(duì)于環(huán)形靶的自動(dòng)追蹤和識(shí)別，采用邊界模糊識(shí)別的算法，首先參考控制專家?guī)鞌?shù)據(jù)和所在環(huán)境的環(huán)形靶顏色值推導(dǎo)邊界閾值，界定一個(gè)邊界模糊參數(shù)并設(shè)定該邊界閾值。初始化圖像處理模塊的感光元件，包括配置圖像的像素模式和大小、拍照的自動(dòng)增益和白平衡等，啟動(dòng)對(duì)環(huán)形靶的不斷拍照并不斷根據(jù)邊界閾值進(jìn)行目標(biāo)物體的識(shí)別，相應(yīng)的識(shí)別信息傳至主控電路同時(shí)控制舵機(jī)云臺(tái)搜尋目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)形靶的識(shí)別和實(shí)時(shí)追蹤，流程圖如圖7所示。

3系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1系統(tǒng)測(cè)試儀器

四位半萬用表1臺(tái)、雙路直流穩(wěn)壓電源1臺(tái)、數(shù)字示波器1臺(tái)、DDS信號(hào)源1臺(tái)、卷尺1個(gè)（精度1mm）。

3.2系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

（1）當(dāng)電磁曲射炮環(huán)形靶中心與定標(biāo)點(diǎn)的距離為250cm時(shí)的各項(xiàng)情況，其測(cè)試結(jié)果如表1所示。據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，距離偏差的絕對(duì)值不超過50cm，而且炮彈發(fā)射的距離與電壓有關(guān)。（2）當(dāng)電磁曲射炮環(huán)形靶中心與定標(biāo)點(diǎn)的距離為270cm（設(shè)270cm為10環(huán)，每環(huán)距離為5cm）時(shí)，自動(dòng)瞄準(zhǔn)射擊的各項(xiàng)情況，其測(cè)試結(jié)果如表2所示。據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，誤差大致在一環(huán)左右，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。（3）當(dāng)電磁曲射炮測(cè)試中設(shè)定環(huán)形靶中心與定標(biāo)點(diǎn)的距離（長(zhǎng)度），以及與中心軸線的偏離角度（度數(shù)），測(cè)試啟動(dòng)后，記錄電磁曲射炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)射擊的各項(xiàng)情況，其測(cè)試結(jié)果如表3所示。據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，誤差大致在一環(huán)左右，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。（4）在一定的范圍內(nèi)（該范圍設(shè)置為彈丸落地點(diǎn)距原點(diǎn)200cm至300cm之間），由測(cè)試人員任意放置環(huán)形靶，測(cè)試啟動(dòng)后，電磁曲射炮自動(dòng)搜尋目標(biāo)并炮擊環(huán)形靶的各項(xiàng)情況，其測(cè)試結(jié)果如表4所示。據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，誤差大致在兩環(huán)左右，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

4結(jié)語

系統(tǒng)通過引入嵌入式和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電磁曲射炮發(fā)射彈丸落地點(diǎn)距原點(diǎn)200cm至300cm之間，并且能夠可檢測(cè)靶標(biāo)位置，自動(dòng)控制電磁曲射炮瞄準(zhǔn)與射擊。經(jīng)過測(cè)試數(shù)據(jù)分析，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的全部要求，符合國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)，而且性價(jià)比高及環(huán)保。另外，一些參數(shù)較目前市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品參數(shù)還有擴(kuò)展，例如發(fā)射完成時(shí)間≤45s，距離偏差的絕對(duì)值不大于8cm。實(shí)踐表明，本文設(shè)計(jì)的模擬電磁曲射炮系統(tǒng)精度高和穩(wěn)定性強(qiáng)，可進(jìn)行廣泛應(yīng)用和推廣。

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作者:蒙飚 單位:柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院