嵌入式模拟电磁曲射炮系统设计

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【摘要】电磁曲射炮的研究对于军事和工业领域都有极为重要意义。为提高电磁曲射炮控制效果，现设计采用嵌入式技术的STM32单片机为核心模拟电磁曲射炮系统，对工作模拟电压进行采集，协助遥控手柄对角度传感器炮口仰角幅度进行调整，创新引入大数据技术的控制专家库数据且采用图像处理电路来实现电磁曲射炮自动搜寻目标，并在OLED液晶屏上显示当前电压和角度，而后实施炮击目标环形靶，完成发射后记录命中情况并更新控制专家库，实验结果表明该系统能够实现电磁曲射炮瞄准与射击的自动控制和优化。

【关键词】嵌入式；STM32；大数据技术；电磁曲射炮

电磁曲射炮顾名思义是用电磁力发射弹丸并力求准确命中目标[1]，而能够通过电磁力发射的弹丸一般使用铁珠或者钢珠[2，3]。为了更好地研究电磁曲射炮，结合电磁学、力学等理论，本文模拟设计一种基于嵌入式与大数据技术的模拟电磁曲射炮系统。结合嵌入式技术目的是为了设计的电路系统体积小，运算速度快，稳定性强，低功耗，而且功能强大[4]；结合大数据技术目的是为了建立控制专家库数据[5]，记录每一次发射前后的所有电路参数和发射效果，通过算法模型不断优化自动控制参数，以提高电磁曲射炮控制效果。文章采用内核是ARM32位Cortex-M3CPU的STM32单片机，并采用DC-DC升压恒压恒流可调电路和ADXL345倾斜度角度传感器，程序设计时在每次发射任务初始化时通过无线网络连接云端服务器获取控制专家库数据进行对比和参考，且在发射完成后注意更新控制专家库数据。相比市面已有的模拟电磁曲射炮，本次设计的控制系统精度更高、稳定性更强，可以在实际应用中进行推广。

1电路模块的设计

1.1电路硬件系统总体设计

本系统由嵌入式单片机主控芯片电路、按键电路、角度传感器、继电器模块、舵机云台控制电路、AD采集电路、图像处理电路、显示电路、语音播报电路及无线网络收发电路十个电路模块组成。首先主控芯片采集舵机控制电路中的角度传感器和图像处理电路中的信息数据，同时通过无线网络收发电路接收云端服务器控制专家库数据进行参考，再由主控芯片发送指令到舵机控制电路，从而自动搜寻目标，再由继电器电路控制大功率电容的充放电，从而来实现电磁曲射炮的发射。电路硬件系统总体框图如图1所示。

1.2嵌入式单片机主控芯片电路

嵌入式单片机主控芯片电路包括单片机最小系统、复位按键和OLED液晶显示，主控芯片采用STM32系列的ARM32位Cortex-M3CPU。若复位按键按下，则单片机的所有数据恢复到最初始的状态，PA、PB、PC、PD口则用于传输显示数据，OLED则是实时显示系统工作时的电压值、仰角角度。单片机主控芯片电路如图2所示。

1.3电磁曲射炮DC－DC升压恒压恒流可调电路

由于该电磁曲射炮系统发射弹丸时，电感线圈需要产生比较强的磁场，从而电感线圈两端的电压需要较大，10多伏的电压是达不到要求，所以需要用到大功率电容充电且还具有输入可调欠压保护、过温保护、短路保护及反接保护等功能的升压恒压恒流及可调电路，电压可从10－12V升到95－100V，调节电位器RP1的阻值大小就可调节电压的放大倍数，如图3所示。

1.4充放电电路

该充放电电路主要就是为了给储能电容C4充电及放电，正常情况下继电器一直处于常闭端，所以储能电容C4一直处于充电状态，但当开关S1按下时，继电器从常闭端打到常开端，储能电容C4进行放电，从而电感线圈瞬间产生一个磁场，使弹丸飞射出去，电路如图4所示。

1.5舵机云台控制电路（含图像处理模块和角度传感器电路）

舵机云台控制电路包括舵机、云台、角度传感器模块电路及图像处理模块。首先，由图像处理电路对引导标识进行识别采集信息，将信息传输至单片机主控芯片，再由单片机主控芯片发送指令至舵机云台自动搜寻目标。角度传感器模块（ADXL345）可通过SPI（3线或4线）或12C数字接口访问，由图像处理电路所采集到的数据，可用手柄调整，也可自动调节，电磁曲射炮的仰角角度。电路如图5所示。

2系统软件设计

2.1电磁曲射炮系统软件设计

系统的软件程序由C语言编写，电路上电后系统进行初始化，加速度传感器自我校准，舵机云台炮口回到初始值角度，OLED显示屏当前角度、设定电压值等参数，然后等待按键操作，进行按键输入和调整，可以进行手动开炮以及自动开炮模式的切换，普通手动智能开炮操作需要分别输入靶心距离、引导标识别到炮台与水平夹角、与环形靶心到炮台与中心轴的夹角，按下确认键，系统将进行发射操作。无论是手动输入环形靶中心与定标点距离，还是自动识别环形靶定标点距离，都先通过无线网络从云端服务器获取控制专家库数据，参考历史数据中最优的控制数据并结合本次发射实际要求，计算目标距离、发射角、发射电压等各项参数，然后根据控制数据调整电磁曲射炮炮口仰角及方向，控制储能电容的充电和放电，弹丸发射出去后记录本次发射所有运行数据并上传云端服务器更新大数据分析所需的控制专家库信息，最后将结果反馈至显示屏即完成本次整个发射过程。系统软件流程图如图6所示。

2.2环形靶识别控制程序设计

对于环形靶的自动追踪和识别，采用边界模糊识别的算法，首先参考控制专家库数据和所在环境的环形靶颜色值推导边界阈值，界定一个边界模糊参数并设定该边界阈值。初始化图像处理模块的感光元件，包括配置图像的像素模式和大小、拍照的自动增益和白平衡等，启动对环形靶的不断拍照并不断根据边界阈值进行目标物体的识别，相应的识别信息传至主控电路同时控制舵机云台搜寻目标，以实现对环形靶的识别和实时追踪，流程图如图7所示。

3系统测试与分析

3.1系统测试仪器

四位半万用表1台、双路直流稳压电源1台、数字示波器1台、DDS信号源1台、卷尺1个（精度1mm）。

3.2系统测试与结果分析

（1）当电磁曲射炮环形靶中心与定标点的距离为250cm时的各项情况，其测试结果如表1所示。据测试结果分析，距离偏差的绝对值不超过50cm，而且炮弹发射的距离与电压有关。（2）当电磁曲射炮环形靶中心与定标点的距离为270cm（设270cm为10环，每环距离为5cm）时，自动瞄准射击的各项情况，其测试结果如表2所示。据测试结果分析，误差大致在一环左右，满足实际应用要求。（3）当电磁曲射炮测试中设定环形靶中心与定标点的距离（长度），以及与中心轴线的偏离角度（度数），测试启动后，记录电磁曲射炮自动瞄准射击的各项情况，其测试结果如表3所示。据测试结果分析，误差大致在一环左右，满足实际应用要求。（4）在一定的范围内（该范围设置为弹丸落地点距原点200cm至300cm之间），由测试人员任意放置环形靶，测试启动后，电磁曲射炮自动搜寻目标并炮击环形靶的各项情况，其测试结果如表4所示。据测试结果分析，误差大致在两环左右，满足实际应用要求。

4结语

系统通过引入嵌入式和大数据技术，实现了电磁曲射炮发射弹丸落地点距原点200cm至300cm之间，并且能够可检测靶标位置，自动控制电磁曲射炮瞄准与射击。经过测试数据分析，能够满足实际应用的全部要求，符合国家安全标准，而且性价比高及环保。另外，一些参数较目前市场现有产品参数还有扩展，例如发射完成时间≤45s，距离偏差的绝对值不大于8cm。实践表明，本文设计的模拟电磁曲射炮系统精度高和稳定性强，可进行广泛应用和推广。

参考文献

[1]陈锦儒,刘萱,何家忠.基于机器视觉的模拟电磁曲射炮实验平台开发与应用[J].工业控制计算机,2019,32(12):80-82.

[2]张清勇,吕笑天,李志勇,等.基于STM32的模拟电磁曲射炮实验系统设计[J].实验室研究与探索,2020,39(10):77-82.

[3]刘安彬,向劲松,张江.自动识别打击的智能电磁曲射炮系统[J].科学技术创新,2020(9):61-62.

[4]王森.嵌入式系统的应用领域与发展研究[J].电脑编程技巧与维护,2020(5):23-24.

[5]张娜,马燕,崔桓睿,等.大数据技术进展与发展趋势[J].通讯世界,2019(2):78-79.

作者:蒙飚 单位:柳州职业技术学院电子信息工程学院