智能模拟电磁炮控制系统设计

西北民族大学电气工程学院 黄剑林 蔡志远 尹锦山

本文设计的系统主要由STM32f103C8T6控制，描述了以OPENMV4为图像处理模块的电磁枪控制系统的设计。通过OPENMV4对引导签名的图像识别和捕捉处理，可以确定水平偏转角和目标点的距离。电容器充电电压由AD部分电压采样和MOS管充电控制。确立电磁枪的电容电压和发射距离之间的数学模型。通过调整电容电压值，子弹可以达到目标点。最终测试结果表明，系统可以自动获得3m以内的感应信息，并且可以实现准确的发射。

随着现代科技的发展和作战战术的发展，对小型智能导弹的需求越来越大。微系统和集成技术的应用为低成本精确制导武器的发展提供了可能。为了使电磁枪在日常生活中得到更广泛的应用和更具实际意义，有必要设计一种小型化、便携式的智能电磁枪。本设计是一种智能模拟电子控制系统，可以通过图像处理自动捕获目标并获得水平偏角和距离，然后一键启动传输，可以准确地进行标点。

1 总体设计方案

本项目研究的是基于STM32的远程调控“电磁坦克”设计，需要用到STM32芯片的各个模块，比如：蓝牙模块、舵机模块、摄像头模块等，还需要学习电路、机械等知识，设计电磁炮的电路、“电磁坦克”的内部机械结构。

本项目的难点在于如何将“电磁坦克”下部分的STM32小车和上部分的STM32电磁炮模块完美兼容，上下两个部分都由STM32芯片驱动，分别用到了STM32芯片的不同模块，而如何调整代码使这些模块协同工作是本项目的难点，也是重要研究内容。

本项目将要实现的目标是：完成好“电磁坦克”的底层代码，实践后不断调整底层代码的漏洞，使其能完美驱动“电磁坦克”。此外，搭建好“电磁坦克”的各个模块、电路及其内部机械结构也是本项目需要实现的目标。而最终的目标也应当是做出一个代码逻辑自洽的、外表美观的、具有一定威力的“电磁坦克”。

基于STM32的远程调控电磁坦克项目的预期成果：“电磁坦克”可通过蓝牙连接到手机，使用手机对它发出各种指令，操作它的移动方向、弹道等。通过手机远程操纵，既增加了安全性又使操作简单化。此外，采用摄像头颜色捕捉技术可以通过它自动瞄准物体，对物体进行打击，也就是说“电磁坦克”有两种工作方式，一种是手动控制（通过蓝牙），另一种是自动打击（利用摄像头模块）。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件设计

2.1 电磁炮系统电路设计

电磁炮电路包括四个部分：控制及其外围电路、电容充电和ADC采样电路、电容充电开关电路和电容放电开关电路。

大容量电容器采用10000UF/100V电容器，电容器耐压为100V，两端均设有ADC采样分压电路。其采用3.3V-5V调压控制器和50Ω的电源电阻，降低充电速度，控制方便。可以采用光耦将微控制器与电容充电开关隔离，避免因误操作烧毁微控制器；其开关电路采用MOS管，M为电压驱动型，可与电压连接，主要用于大功率、大电流、高电压等情况下；由于电磁枪在放电瞬间产生大电流，采用25A大功率继电器控制放电，单片机I/O口晶体管使12V继电器放电电容。

2.2 蓝牙车系统电路设计

本模块使用5V电源，需要使用到2个可调降压模块使锂电池电源供调节电压以满足系统需要，保证能够为MCU及所用到的模块提供其所需要的电压使它们正常工作，这是完成项目的前提。通过调压电路调压从而改变电磁炮充电储能，以便控制电磁炮的射程大小。

2.3 MCU硬件资源的分配

根据MCU不同I/O口所具有的硬件资源将不同模块接在合适的I/O口上，以合理使用硬件资源。此外，大多数模块采用串口通信，为了满足模块实现其功能并能够进行相互间的通信从而满足项目需要，需要将MCU的串口资源进行分配使其不存在冲突，以便顺利完成项目所需要的功能。其中，蓝牙通讯模块使用USART4、OPENMV4与STM32，通讯使用USART3，此外MCU的定时器资源也需要分配给各个模块，以防止因为发生定时器的冲突而影响模块功能的实现。

3 软件设计

3.1 STM32芯片程序设计

系统上电后使硬件设备初始化，通过串行端口分析OPENMV4的图像处理信息，将进入当前工作模式，进入相应的工作状态。通过比较AD当前目标距离对应的电压值，判断有无点火。

为了防止执行时间过长导致系统稳定性恶化，STM32f103C8T6提供了由系统计时器触发的串扰检测和分析、键检测、画面显示和四个任务之间顺序切换的调度硬件。每一个系统都需要一个系统来保持系统的周期性，因为每一个系统都需要一个系统来生成一个系统的系统。用户程序不能自由访问那个寄存器。

3.2 OPENMV4设计

图像数据由OPENMV4感光芯片收集，并且在原始图像中发现了预设值范围内的像素。pre值是实验室颜色空间中L、a、B三个通道值的范围。ENMV编程时，预先设置范围，此范围的目标是光线，这些像素点通过高斯平滑滤波来防止噪声干扰。查找由图像中像素构成的最大色块，计算色块中心图像中的坐标位置。使用PID算法控制舵手的旋转使其与目标坐标一致，从而使目标对准，完成所有控制。为了减小由于像素丢失而引起的误差，仅选择水平和垂直位置上的最大像素以减少误差。最后，目标距离和水平偏转角返回到STM32。

图2 程序执行流程图

3.3 蓝牙通信模块

蓝牙模块使用H C-0 5 模块，该模块将蓝牙芯片BC41713、Flash存储器芯片M29W800及蓝牙天线等一体化。STM32F103经由串扰与蓝牙模块连接，接收用于发送移动电话蓝牙的控制命令，每个组的控制命令包括两个字节，第一个字节包括控制号，第二个马达速度控制PWM值，这两个字节包括蓝牙电机控制程序被用作M的两个参数。STM32F103处理器的PWM信号生成通过将STM32F103的计时器设置为PWM模式而生成的智能汽车马达的PWM控制信号。STM32的TIM2～TIM5的每一个计时器可以同时生成4路输出。TIM2～TIM5的PWM输出通过改变自动重载寄存器ARR的值来改变PWM信号输出的周期，变更CCR的值来改变信号的占空比。通过蓝牙模块接收来自移动电话的控制信号，从而实现对两个步进电机的正反转控制，实现步进电机的正转和当前小型车的前进、后退、旋转、停止。网络照相机能够通过无线网络实现与客户机的连接，将小型车周围的环境画面传送给客户机来进行控制。传感器信息通过蓝牙模块直接发送给客户。小汽车可以正常行驶和试车。图2为程序执行流程图。

结束语：本文设计了一种基于蓝牙控制的无线遥控车。通过计算汽车的结构参数，可以使步进电机、驱动器和加载结构更好。通过蓝牙检测和发送信息，智能手机与车辆系统之间的蓝牙通信是通过智能手机上的Android软件设计建立的，扩展了由智能车辆控制器使用的蓝牙串行模块与处理器之间的串行通信模式。车辆通信部的蓝牙开发通过串行通信方式实现，大大降低了蓝牙通信开发的难度。STM32处理器的内部定时器的多通道PWM输出功能实现了车速的便利控制。通过实际的驾驶测试，通过手机蓝牙能够高速应答和短距离控制车体。

可以设想到在作战愈发现代化的今天，无人坦克适应了其变化趋势。基于无人、轻便、大量、机动理念设计制作的产品不仅适用于正面战场，它兼顾特种兵的部分性质，可期待未来替代特种兵执行具有相当危险性的工作。