嵌入式模擬電磁曲射炮系統(tǒng)設(shè)計

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【摘要】電磁曲射炮的研究對于軍事和工業(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)計采用嵌入式技術(shù)的STM32單片機為核心模擬電磁曲射炮系統(tǒng)，對工作模擬電壓進行采集，協(xié)助遙控手柄對角度傳感器炮口仰角幅度進行調(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現(xiàn)電磁曲射炮自動搜尋目標，并在OLED液晶屏上顯示當前電壓和角度，而后實施炮擊目標環(huán)形靶，完成發(fā)射后記錄命中情況并更新控制專家?guī)?，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電磁曲射炮瞄準與射擊的自動控制和優(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)射彈丸并力求準確命中目標[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)計的電路系統(tǒng)體積小，運算速度快，穩(wěn)定性強，低功耗，而且功能強大[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，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)計時在每次發(fā)射任務(wù)初始化時通過無線網(wǎng)絡(luò)連接云端服務(wù)器獲取控制專家?guī)鞌?shù)據(jù)進行對比和參考，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)計的控制系統(tǒng)精度更高、穩(wěn)定性更強，可以在實際應(yīng)用中進行推廣。

1電路模塊的設(shè)計

1.1電路硬件系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)由嵌入式單片機主控芯片電路、按鍵電路、角度傳感器、繼電器模塊、舵機云臺控制電路、AD采集電路、圖像處理電路、顯示電路、語音播報電路及無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)電路十個電路模塊組成。首先主控芯片采集舵機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)進行參考，再由主控芯片發(fā)送指令到舵機控制電路，從而自動搜尋目標，再由繼電器電路控制大功率電容的充放電，從而來實現(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嵌入式單片機主控芯片電路

嵌入式單片機主控芯片電路包括單片機最小系統(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則是實時顯示系統(tǒng)工作時的電壓值、仰角角度。單片機主控芯片電路如圖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，電感線圈需要產(chǎn)生比較強的磁場，從而電感線圈兩端的電壓需要較大，10多伏的電壓是達不到要求，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、過溫保護、短路保護及反接保護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，所以儲能電容C4一直處于充電狀態(tài)，但當開關(guān)S1按下時，繼電器從常閉端打到常開端，儲能電容C4進行放電，從而電感線圈瞬間產(chǎn)生一個磁場，使彈丸飛射出去，電路如圖4所示。

1.5舵機云臺控制電路（含圖像處理模塊和角度傳感器電路）

舵機云臺控制電路包括舵機、云臺、角度傳感器模塊電路及圖像處理模塊。首先，由圖像處理電路對引導(dǎo)標識進行識別采集信息，將信息傳輸至單片機主控芯片，再由單片機主控芯片發(fā)送指令至舵機云臺自動搜尋目標。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

2.1電磁曲射炮系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件程序由C語言編寫，電路上電后系統(tǒng)進行初始化，加速度傳感器自我校準，舵機云臺炮口回到初始值角度，OLED顯示屏當前角度、設(shè)定電壓值等參數(shù)，然后等待按鍵操作，進行按鍵輸入和調(diào)整，可以進行手動開炮以及自動開炮模式的切換，普通手動智能開炮操作需要分別輸入靶心距離、引導(dǎo)標識別到炮臺與水平夾角、與環(huán)形靶心到炮臺與中心軸的夾角，按下確認鍵，系統(tǒng)將進行發(fā)射操作。無論是手動輸入環(huán)形靶中心與定標點距離，還是自動識別環(huán)形靶定標點距離，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)，參考歷史數(shù)據(jù)中最優(yōu)的控制數(shù)據(jù)并結(jié)合本次發(fā)射實際要求，計算目標距離、發(fā)射角、發(fā)射電壓等各項參數(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)形靶識別控制程序設(shè)計

對于環(huán)形靶的自動追蹤和識別，采用邊界模糊識別的算法，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、拍照的自動增益和白平衡等，啟動對環(huán)形靶的不斷拍照并不斷根據(jù)邊界閾值進行目標物體的識別，相應(yīng)的識別信息傳至主控電路同時控制舵機云臺搜尋目標，以實現(xiàn)對環(huán)形靶的識別和實時追蹤，流程圖如圖7所示。

3系統(tǒng)測試與分析

3.1系統(tǒng)測試儀器

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

3.2系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

（1）當電磁曲射炮環(huán)形靶中心與定標點的距離為250cm時的各項情況，其測試結(jié)果如表1所示。據(jù)測試結(jié)果分析，距離偏差的絕對值不超過50cm，而且炮彈發(fā)射的距離與電壓有關(guān)。（2）當電磁曲射炮環(huán)形靶中心與定標點的距離為270cm（設(shè)270cm為10環(huán)，每環(huán)距離為5cm）時，自動瞄準射擊的各項情況，其測試結(jié)果如表2所示。據(jù)測試結(jié)果分析，誤差大致在一環(huán)左右，滿足實際應(yīng)用要求。（3）當電磁曲射炮測試中設(shè)定環(huán)形靶中心與定標點的距離（長度），以及與中心軸線的偏離角度（度數(shù)），測試啟動后，記錄電磁曲射炮自動瞄準射擊的各項情況，其測試結(jié)果如表3所示。據(jù)測試結(jié)果分析，誤差大致在一環(huán)左右，滿足實際應(yīng)用要求。（4）在一定的范圍內(nèi)（該范圍設(shè)置為彈丸落地點距原點200cm至300cm之間），由測試人員任意放置環(huán)形靶，測試啟動后，電磁曲射炮自動搜尋目標并炮擊環(huán)形靶的各項情況，其測試結(jié)果如表4所示。據(jù)測試結(jié)果分析，誤差大致在兩環(huán)左右，滿足實際應(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)，實現(xiàn)了電磁曲射炮發(fā)射彈丸落地點距原點200cm至300cm之間，并且能夠可檢測靶標位置，自動控制電磁曲射炮瞄準與射擊。經(jīng)過測試數(shù)據(jù)分析，能夠滿足實際應(yīng)用的全部要求，符合國家安全標準，而且性價比高及環(huán)保。另外，一些參數(shù)較目前市場現(xiàn)有產(chǎn)品參數(shù)還有擴展，例如發(fā)射完成時間≤45s，距離偏差的絕對值不大于8cm。實踐表明，本文設(shè)計的模擬電磁曲射炮系統(tǒng)精度高和穩(wěn)定性強，可進行廣泛應(yīng)用和推廣。

參考文獻

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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