自主目標搜尋與打擊的移動式智能電磁炮系統(tǒng)設計

第2章現狀分析2.1國內研究現狀中國對電磁炮的研究雖然發(fā)展較晚，但研究速度迅速，中國電磁脈沖武器不僅技術領先，而且已經成為該項武器研發(fā)的佼佼者。2020年8月，我國學者在對電磁炮系統(tǒng)模擬設計中提出，通過搭載二維電動云臺，能夠在水平方向和豎直方向的一定角度內任意偏轉，并能實現自動瞄準尋靶以及手動瞄準尋靶功能。該裝置使用MPU6050讀取電磁炮的實時發(fā)射角度，利用卡爾曼算法對角度信息進行濾波，通過PID算法實現對電磁炮發(fā)射系統(tǒng)的閉環(huán)控制REF_Ref18667\r\h[1]。此觀點的優(yōu)點是可以隨意通過調整電動機的轉速來調整炮臺的轉速。提高了云臺炮塔在運行過程中的機動速度。但忽略了響應速度，因為電機的響應速度不夠及時，同時炮臺的結構組成相對復雜，給后期的維護調試帶來了一定困難。為解決這個問題研究人員“采用DS3115舵機作為二維舵機炮臺系統(tǒng)的核心”REF_Ref18709\r\h[2]。其優(yōu)點是轉動角度的準確性較高，指向性較好，其結構組成較為簡單，便于維護調試，同時價格也相對低廉。2022年6月我國學者在對模擬曲射電磁炮進行設計時，使用激光傳感器測量炮位與靶標之間的距離和角度。根據傳感器采集的數據計算出彈著點。單片機控制舵機轉到指定水平角度和俯仰角度，同時控制DC-DC升壓電路為高能電容儲能組件充電，充電完成后，啟動高壓開關發(fā)射電路，線圈產生磁場，發(fā)射炮彈REF_Ref18830\r\h[3]。這種做法提高了炮彈的命中率。但沒有解決對移動目標的搜索和打擊問題。為了解決這個問題我國研究人員使用OpenMV攝像頭實現目標追蹤，鎖定目標，超聲波探測器探測距離，反饋至單片機，單片機控制放電電路的線圈電流進而控制射送角度REF_Ref18938\r\h[4]。此方案引入了視覺模塊，不僅解決了電磁炮對移動目標進行鎖定和打擊的問題，同時也提升了電磁炮的智能化。2018年3月我國學者對電磁炮物理模型進行構建中時，使用外觸發(fā)控制繼電器開關連接電容器和勵磁線圈構成閉合電路，由電容器放電REF_Ref19013\r\h[5]。此方案為電磁炮蓄能提供了辦法。但由于電磁炮發(fā)射時電壓較高，操作失誤容易造成元器件損毀。對于這個問題，有學者做出了更優(yōu)的方案，他們巧妙地采用光耦將微控制器與給電容充電開關隔離，這種設計避免了因操作失誤使微控制器燒毀REF_Ref19052\r\h[6]。2.2國外研究現狀與國內相比國外對電磁炮的研究較早，其技術較為成熟。2022年12月，國外研究人員研發(fā)出“RAFTAR”的模塊化電磁軌道炮加速器設施（即用于技術和研究的軌道炮加速器設備），該設施在第一次測試中，成功將8g固體鋁7075電樞炮彈的加速度超過1000m/sREF_Ref19091\r\h[17]。2008年12月，國外研究人員對電磁發(fā)射器研究中發(fā)現，磁場產生一個動態(tài)力，使電樞向前移動。在電磁發(fā)射器中，電樞在發(fā)射過程中達到臨界速度，這會導致高振幅應力和應變。此外，高應力和應變會損壞鋼軌并縮短其壽命REF_Ref19163\r\h[18]。2.3現狀和需求分析綜上所述，可以看出。國內外對電磁炮的研究，更多的偏向于電磁炮的能量儲備和炮彈發(fā)射裝置的研究。而對電磁炮的自動化以及電磁炮機動性方面的研究有所不足。為了加強電磁炮自動化和機動性的研究，實現“自動目標搜尋與打擊的移動式智能電磁炮系統(tǒng)的設計”，需要該系統(tǒng)設計能夠滿足以下需求：能通過無線遙控對電磁炮進行遙控，控制其到達指定位置。能夠自主對目標進行捕捉和鎖定。系統(tǒng)鎖定目標后電磁炮打擊系統(tǒng)能自動和手動對目標進行精確打擊。炮彈的發(fā)射距離可以根據實際需要調節(jié)。顯示模塊能實時顯示目標的距離、電容儲能情況等各項數據。為實現以上功能需求，因此本設計需要用到藍牙小車動力系統(tǒng)滿足電磁炮的機動性和無線遙控功能，用OpenMV視覺模塊來對目標進行搜索和鎖定，同時搭配云臺模塊來調控炮管方向，保證打擊的精確性，用激光測距模塊來測量目標的距離，用阻磁式線圈和升壓模塊結合將炮彈發(fā)射出去。第3章總體方案設計和選擇3.1電磁炮系統(tǒng)的總體設計本設計基于STM32單片機和OpenMV4圖像識別模塊，利用電磁原理實現的移動電磁炮系統(tǒng)。該設計主要分為動力系統(tǒng)、電磁炮發(fā)射系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)。動力系統(tǒng)通過接收遠程藍牙信號，然后輸出PWM給驅動電路控制電動機的旋轉啟停。發(fā)射系統(tǒng)的組成的零部件是蓄能電容、可控硅以及升壓模塊，控制炮管外圍的線圈產生洛侖磁力，作用于炮管內的金屬炮彈，將炮彈發(fā)射出去。圖像識別系統(tǒng)是由OpenMV視覺識別模塊進行目標搜索和采集。將目標的位置坐標傳輸給STM32的片機，由STM32單片機控制兩個舵機的轉動進行瞄準目標，目標鎖定后好單片機會輸出發(fā)射信號控制炮彈的發(fā)射，在目標的鎖定過程中為了提高精確度采用了增量式PID算法。顯示系統(tǒng)是由OLED屏組成，它能通過測距模塊顯示目標的實時位置，以及電容的蓄能情況。本系統(tǒng)的基本框圖如圖3.1所示：圖3.1系統(tǒng)的基本框圖3.2動力系統(tǒng)方案的設計第一種方案是選用藍牙小車。藍牙小車的基本構成是STM32單片機、步進電機、HC-05藍牙模塊、L293D電機驅動模塊等構成。如下圖3.2所示以STM32為核心的驅動擴展板。該模塊以STM32單片機為中心，以MDK為開發(fā)平臺，實現了軟件的設計與開發(fā)。通過對L293D模塊IN1~IN4管腳的高低電平進行控制，實現了對電動機旋轉方向的控制，進而控制動力小車的運轉。車子無線遙控由藍牙模塊來控制的，可以使用手機的藍牙系統(tǒng)與Bluetooth模塊進行通訊，從而達到啟動、轉向，和停止的目的。第二種方案是選用智能wifi控制小車。wifi小車的器件組成是ESP8266-12E模塊（NodeMCU）、L293D電機驅動器、直流減速電機、7805穩(wěn)壓器等。其原理與藍牙相似，只不過esp8266這款芯片可以連接wifi，可以使用局域網來控制小車?？紤]到智能電磁炮系統(tǒng)用到了STM32單片機，并且動力小車控制器和電磁炮系統(tǒng)能夠共用一個控制器，為了節(jié)約成本，所以選用第一種方案。圖3.2STM32為核心的驅動擴展板模塊圖3.3旋轉炮臺方案的設計第一種方案是使用電動機帶動炮臺轉動，這種方案的優(yōu)點是可以隨意通過調整電動機的轉速來調整炮臺的轉速。但它的弊端也比較突出，那就是響應速度不夠及時，炮臺的結構組成相對復雜。第二種方案是使用MG996R舵機來對云臺進行控制，如下圖3.3所示。它的主要組成是舵機外殼、位置反饋電位計、控制電路板、減速齒輪組、電動馬達。舵機的控制原理較為靈活，主要的控制方式有兩種：第一種是pw信號控制，第二種是串口通信控制。其控制原理也較為簡單，首先接收機向舵機發(fā)出通信訊號，然后傳送給電路板上的IC驅動元件，電動馬達開始轉動，馬達轉動時將動力通過齒輪組傳遞給舵機的擺臂，在電動機轉動角度的同時，其電阻值也是隨著舵機轉動角度開始變化的，因此位置檢測器件通過檢測電阻值便可知道舵機轉動的角度是否到達指定的位置。其優(yōu)點是轉動角度的準確性較高，指向性較好，其結構組成較為簡單，同時價格也相對低廉。通過兩種方案的測試，舵機帶有自動復位的功能，每次發(fā)射完之后，炮管都能回到原來的位置，并且舵機的應用較為廣泛，技術成熟可靠性強。組合和調試都較簡單。因此我選擇了第二種方案。圖3.3舵機云臺圖3.4電磁炮發(fā)射開關電路控制方案的設計在對電磁炮開關電路進行設計時，我首先想到的就是MOS管。MOS管開關電路的控制原理是通過MOS管柵極（g）來控制MOS管源極（s）和漏極（d）接通和斷開。MOS管的輸入阻抗較高、熱穩(wěn)定性較好、制作工藝簡單，價格低。但對于本設計來說，MOS管有一個缺點就是耐壓值較低，電磁炮的升壓模塊最高能將電壓升至85V，同時電磁炮進行發(fā)射時瞬時電流較大，這樣一來容易造成MOS管燒壞。于是通過查閱相關書籍和網絡資料我找到了第二種方案。利用繼電器和雙向可控硅進行開關電路的組合，雙向可控硅是一種二極管和晶閘管的混合器件，可以看成是一對反并聯連接的普通可控硅的組合，工作原理與常見的單向可控硅一樣，但控制方式更加靈活。雙向可控硅擁有兩個主電極T1和T2，一個門極G，門極使器件在主電極的正反兩個方向均可觸發(fā)導通，所以雙向可控硅在第1和第3象限有對稱的伏安特性。雙向可控硅門極加正、負觸發(fā)脈沖都能使管子觸發(fā)導通，因此有四種觸發(fā)方式。它的特點是擁有良好的耐壓性。綜上所述為了安全可靠，我選擇第二個方案。3.5OpenMV視覺模塊方案的設計在對電磁炮系統(tǒng)視覺模塊進行設計時，我首先想到的是OpenMV系列視覺模塊，讓我難以抉擇的是選用OpenMV3還是選用OpenMV4，兩者都廣泛應用于機器人、智能家居、工業(yè)自動化等領域。通過對比我發(fā)現在性能上，OpenMV4使用的是Cortex-M7處理器，運算速度比OpenMV3使用的處理器更快，同時圖像識別的分辨率更高。OpenMV4板載隨機存取存儲器，存儲能力為264kb，比OpenMV3更大。OpenMV4還擁有更多的通信和傳感器接口，可拓展性更強。編程語言上兩者都支持C/C++和Python編程語言，但OpenMV4還支持MicroPython語言編程，因此OpenMV4擁有更多的語言編程。在成像和視野方面，OpenMV4采用全新的OV7725傳感器，比OpenMV3擁有更高的清晰度，以及更大的成像視野，對于電磁炮系統(tǒng)來說更大的視野等同于對目標的捕捉區(qū)域更為寬廣，打擊范圍更大。最后在價格方面OpenMV4遠高于OpenMV3。綜上所述，雖然OpenMV4的價格較貴，但OpenMV4作為OpenMV3的升級版，具有更高的性能、更寬的視野、更多的編程語言和更多的功能。為了提高系統(tǒng)整體性能，讓電磁炮系統(tǒng)擁有良好的目標捕捉能力，因此我選用OpenMV4作為電磁炮的視覺模塊。如圖3.5所示。圖3.5OpenMV4視覺模塊圖3.6測距模塊方案的設計第一種方案是選用HC-SR04超聲波測距模塊，其工作原理是超聲波發(fā)射裝置向某一指定方向發(fā)射超聲波，聲波在遇到前方障礙物后會原路反射回來，測量聲波從發(fā)射到返回的時間，進而通過S=340t/2，測算出目標的距離。第二種方案是選用TOF（TimeofFlight飛行時間）激光測距模塊，它的設計原理是基于激光脈沖的飛行時間，利用激光發(fā)射，激光傳輸和激光接收三個階段，TOF激光測距模塊接收來自物體反彈的激光束。模塊內部的光電二極管會將來自反射的激光能量轉換成一個電磁信號，并且放大這個信號以作為計算激光飛行時間的輸入，測量出激光從發(fā)射到折射返回的時間差，進而通過S=299792458t/2計算出目標的距離。通過比較得知激光測距的精度為亞毫米級別，超聲波測距的精度為厘米級別。相比之下激光測距的精確度更高，同時激光測距和超聲波測距相比激光測距不受氣流和噪聲的干擾。因此為了測距的準確度更高和抗干擾性更強，我選擇了第二種方案選用TOF激光測距模塊。如圖3.6所示。圖3.6TOF激光測距模塊圖第4章電磁炮系統(tǒng)原理及電路設計4.1炮彈發(fā)射的基本原理電磁炮，又稱為磁軌加速器，是一種利用磁場產生的動力的高速運動裝置。電磁炮基本原理是利用電流通過導線時，會產生一個磁場，而磁場與電流方向垂直。當導線內電流瞬間增大時，將在導線附近產生一個瞬時的磁場，這個磁場會產生洛倫磁力，作用于炮彈，導致炮彈的運動，使炮彈加速發(fā)射出去。其具體原理如圖4.1所示。圖4.1電磁炮發(fā)射示意圖4.2主控電路的最小系統(tǒng)設計電磁炮系統(tǒng)使用的主要控制芯片是STM32F103C8T6單片機，其電路圖如下圖4.2所示。它是以ARMCortex-M3作為內核開發(fā)的一款32位單片機，所謂最小系統(tǒng)指的是用于滿足單片機最基本的功能所需要的最基礎的硬件設計。STM32F103C8T6單片機最小系統(tǒng)一般包括一個晶振、一個復位按鍵、一個電源、同時還包括電容和連接器。晶振電路：晶振電路的主要作用是給最小系統(tǒng)提供時鐘信號。一般STM32F103C8T6單片機所用到的是8MHz的晶振，晶振電路中包含兩個電容和一個晶振。復位電路：復位電路的主要作用是對單片機進行復位，使其恢復到初始化狀態(tài)，開始新的運行。一般單位機中會使用一個按鍵將RST（復位）引腳和地相連，當按鍵動作時，單片機便進行復位。在復位電路中還有一個上拉電阻，它的作用是在復位按鍵沒有被按下時，復位引腳始終是高電平狀態(tài)。電源電路：顧名思義，電源電路主要是為單片機進行供電。一般在單片機最小系統(tǒng)中把交流或直流電源轉化為大小為5V直流電。在電路中還需要一個來直觀表達供電電源是否正常的器件，那就是一個LED電源指示燈。在電源電路中還包含一個濾波電容，它的作用是降低電源產生的噪聲。連接器：連接器的作用是，便于單片機與其他器件進行相連，例如擴展板和LCD顯示屏。圖4.2STM32F103C8T6單片機最小系統(tǒng)電路圖4.3電磁炮的儲能發(fā)射電路設計電磁炮的可能發(fā)射電路是該系統(tǒng)最重要的電路之一，設計的時候用到了二極管、儲能電容、三極管、接近開關、接線端子等。該電路的主要作用是對電磁炮進行儲能，然后通過可控硅進行放電，將儲存在電容器中的電能快速釋放，并將電能通過電磁的形式傳遞到炮彈上，使炮彈能夠獲得足夠的動能發(fā)射出去。其電路如圖4.3所示。圖4.3電磁炮的儲能發(fā)射電路圖4.4電磁炮升壓模塊的電路設計該電磁炮的升壓模塊選用的是boost升壓模塊，它的主要組成是MOS管、電感、二極管、電容。該模塊的工作原理是利用電感和電容的儲能特性，將低電壓信號轉為高電壓信號。其過程為當輸入信號接通后，電感和電容同時開始工作，電感將輸入信號轉換為電流，并進行可能。而電容者將接收到的信號轉化為電壓，然后把機管把電容中所儲存的能量釋放出來，傳遞給其他器件。直到電容中所有的能量全部釋放完成后，升壓過程也就完成了。升壓模塊的電路圖如4.4所示。圖4.4升壓模塊電路圖4.5供電電路設計該電磁炮系統(tǒng)采用直流穩(wěn)壓電源進行供電，因為直流穩(wěn)壓電源能夠輸出較為穩(wěn)定的電壓，能夠使電磁炮系統(tǒng)在工作中穩(wěn)定性更好。同時直流穩(wěn)壓電源的電流也比較穩(wěn)定，極大地降低了電磁炮系統(tǒng)因電源電壓波動而產生的干擾，有利于保證電磁炮的發(fā)射精度。另外直流穩(wěn)壓電源充電的效率更高，電壓和電流可以調節(jié)，能夠保證電磁炮的極致需求。其供電電路如圖4.5所示。圖4.5供電模塊電路圖4.6小車驅動電路設計在對藍牙小車動力系統(tǒng)進行設計時首先要選擇驅動芯片，主要的驅動芯片有三種，分別是HIP4082、IR2104、L298N。最終我選擇了L298N型驅動芯片，它是一種電壓和電流都較高的驅動芯片。內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，一片L298N型驅動芯片最多能控制兩個直流馬達轉動，它的優(yōu)點是擁有較強的驅動能力、低發(fā)熱、抗干擾能力強。驅動電路如圖4.6所示。圖4.6驅動系統(tǒng)電路圖4.7按鍵電路設計設置按鍵的目的是滿足電磁炮系統(tǒng)的人機交互功能，使電磁炮系統(tǒng)能夠進行參數設置和模式選擇。因為在該系統(tǒng)中所需的按鍵較少，因此將按鍵模塊電路設計為4個單獨按鍵的電路模式。其電路如圖4.7所示。圖4.7按鍵模塊電路圖4.8OpenMV電路設計OpenMV視覺模塊，在該電磁炮系統(tǒng)中，主要是對目標進行捕捉，捕捉到目標后輸出PID信號調動舵機云臺瞄準和鎖定圖像目標。該模塊具有兩個電源輸入端和一個電源輸出端。輸入端需要的電壓為5V，輸出端輸出電壓為3.3V用于給其他傳感器進行供電。其模塊電路如圖4.8所示。圖4.8OpenMV模塊電路圖第5章軟件設計5.1軟件系統(tǒng)設計該電磁炮的控制器有兩個，分別為STM32單片機和OpenMV自帶的控制器，STM32單片機它的主要作用是負責激光測距模塊的數據讀取、電磁炮的儲能、炮彈發(fā)射、人機界面的模式選擇和交互、藍牙小車動力系統(tǒng)的控制。OpenMV自帶的控制器主要負責捕捉鎖定目標、控制云臺的座機轉動。兩個控制器通過通信串口連接在一起，進行相互間的信息反饋。當需要進行目標捕捉時，STM32單片機會發(fā)送信號給OpenMV自帶的控制器，然后OpenMV控制云臺舵機搜索目標，目標搜索完成后OpenMV會給單片機反饋信號，STM32單片機根據返回的信號，進行后續(xù)的發(fā)射控制。5.2電磁炮主程序設計首先進入人機交互頁面，進行模式選擇，該電磁炮系統(tǒng)主要分為三種打擊模式，分別是手動模式、自動目標追蹤打擊模式、自動巡航打擊模式。手動模式：電磁炮系統(tǒng)會根據輸入的距離參數來獲取充電電壓，同時發(fā)出相應的控制參數設置儲能電容的電壓。以此來控制電磁炮的炮彈發(fā)射距離，最后對電磁炮進行儲能和發(fā)射。自主目標追蹤打擊模式：該模式下OpenMV視覺模塊會輸出信號，控制舵機的轉動對目標進行捕捉，捕捉到目標后，STM32單片機會通過激光測距模塊得知目標的距離，然后調整電容儲能電壓，同時對電磁炮進行儲能和發(fā)射。自動巡航打擊模式：進入該模式后，云臺舵機自動開啟±60°來自動巡航轉動，OpenMV也開始對目標進行捕捉，當捕捉到目標后激光測距模塊會迅速測出目標的距離，然后單片機調整電壓對電容進行儲能，隨后迅速發(fā)射。具體流程如圖5.2所示。圖5.2電磁炮主程序流程圖5.3OpenMV程序設計本系統(tǒng)設定的是對紅色靶標進行捕捉，當系統(tǒng)需要調用OpenMV時，OpenMV視覺模塊利用自身的攝像頭捕捉環(huán)境圖像，通過預設的像素值分析篩選出所需要的圖像信息。在進行紅色靶標識別時，OpenMV視覺模塊會將圖像中所有的紅色像素提取出來，并利用一些算法進行處理和分析，最終確定紅色靶標對應的位置和大小，然后輸出PID信號調動舵機云臺瞄準圖像目標，鎖定目標后將信息反饋給STM32單片機，具體流程如圖5.3所示圖5.3OpenMV程序流程圖5.4動力小車程序設計該動力小車的無線遙控模塊是HC-05型藍牙模塊，用戶通過手機連接上藍牙后，藍牙模塊的主要用途是接收同手機上發(fā)出的控制指令。藍牙模塊接到指令后會將信息傳輸給STM32單片機，然后單片機對信號指令進行翻譯和解析，并發(fā)出相應的信號，控制四個電動機的轉動，進而控制小車的前進、后退、向左轉、向右轉。其控制過程如圖5.4所示。圖5.4藍牙動力小車程序控制流程如圖5.5OLED顯示程序設計為了滿足電磁炮的人機交互功能，因此需要使用OLED顯示模塊，該模塊是一種基于OLED（OrganicLightEmittingDiode）技術實現的顯示模塊，它具有低功耗、高對比度、高亮度、廣視角等優(yōu)點。它的屏幕大小是9.6寸，分辨率為128x64像素，寬電壓供電，兼容3.3V和5V的電平邏輯，不需要電平轉換芯片。IIC接口只需兩個IO便可以輕松點亮。OLED程序設計流程圖如圖5.5所示。圖5.5OLED程序設計流程圖第6章系統(tǒng)測試6.1系統(tǒng)操作說明及模式介紹打開電磁炮系統(tǒng)的電源開關后，電磁炮進入開機待命狀態(tài)，各項指示燈亮起，測壓模塊能準確地測得電磁炮系統(tǒng)的電壓。打開手機藍牙系統(tǒng)，搜索并連接動力小車系統(tǒng)藍牙，通過手機操控頁面可控制動力小車帶動電磁炮系統(tǒng)自由運動。隨后進入電磁炮系統(tǒng)人機交互界面，該系統(tǒng)的人機交互是通過按鍵和OLED屏幕進行的，如下圖6.1所示。該頁面中mid表示OpenMV視覺模塊捕捉的紅色目標的位置信息。該數字信息的范圍是0~320，當頁面中數字為160說明電磁炮炮管正對紅色目標。頁面中dis表示激光測距模塊測得的目標距離，該距離的精確度是mm。圖6.1初始調試界面圖在對電磁炮進行打擊模式選擇前，需要先對其進行校驗。方法如下，將紅色目標放在電磁炮前方，然后慢慢移動目標，觀察mid行所顯示的數字。當數字顯示為160左右時，停止移動，此刻表示電磁炮炮管已經正對著目標的方向。然后用卷尺測量目標距離電磁炮的位置，如果測得的結果和屏幕上激光測距模塊反饋的距離結果相同，說明電腦系統(tǒng)狀態(tài)正常，可以按back鍵，跳出該頁面進行電磁炮打擊模式的選擇。6.1.1模式的選擇和功能介紹該系統(tǒng)的按鍵布局，從上到下依次為Up（向上）、Down（向下）、Enter（進入）、Back（返回）。該系統(tǒng)共有三種打擊模式可以選擇。如圖6.1.1所示，分別為手動打擊模式（model1、model2、model3，因模式1、2、3均需手動輸入發(fā)射所以統(tǒng)稱為手動打擊模式，具體功能差異在模式功能介紹中將詳細說明）、自動目標追蹤打擊模式（model4）、自動巡航打擊模式（model5）。在模式選擇頁面中，按Up鍵或者Down鍵調動屏幕中的“#”，對模式進行標定，然后按Ente鍵即可進入該模式。圖6.1.1模式選擇圖功能介紹：模式1：進入該模式后，系統(tǒng)自動根據測距模塊反饋的信息對儲能電容充電，充電完成后發(fā)射電路立即動作，將炮彈發(fā)射出去。模式2：在該模式下，需要手動輸入目標距離，然后系統(tǒng)會根據輸入的距離信息算出所需要的充電時間，然后對電磁炮進行充電，充電完成后系統(tǒng)立即進行放電將炮彈發(fā)射出去。模式3：進入該模式后，需要手動輸入目標的距離和炮管的角度。然后系統(tǒng)會根據輸入的信息計算出電容的充電時間。然后進行充電，充電完成后系統(tǒng)立即開始放電，將炮彈發(fā)射出去。模式4：進入該模式后，OpenMV視覺模塊開始尋找紅色目標，搜尋到目標后進行鎖定。鎖定后舵機云臺會跟隨著目標轉動，保證電磁炮的炮管始終正對著目標。當OpenMV系統(tǒng)讀取的像素點小于預設的4個像素點時，系統(tǒng)會自動判定為已經瞄準完成，然后舵機云臺會停止轉動，關閉OpenMV傳輸串口。根據數據模塊反饋的距離信息，算出所需要的充電時間，對電磁炮進行充電，充電完成后系統(tǒng)立即進行放電將炮彈發(fā)射出去。模式5：進入該模式后，舵機云臺自動開始轉動，轉動的范圍是±60度，在此視野范圍內對目標進行巡航搜索，搜索的過程中系統(tǒng)循環(huán)讀取目標的中心值160（此值表示炮管正對目標），當檢測到目標正處于炮管的正前方時，根據測距模塊反饋的信息，進行充電，充電完成后發(fā)射開關動作，將炮彈發(fā)射出去。6.2功能測試6.2.1機動性測試首先把動力小車的藍牙模塊連接上手機藍牙，成功連接后，系統(tǒng)能夠接收到手機上的藍牙信號，隨后進入手機的控制頁面，可以通過頁面中的按鍵準確地控制電磁炮的動力小車系統(tǒng)前進、后退、左轉、右轉。小車藍牙控制頁面如圖6.2.1所示。圖6.2.1藍牙控制頁面圖6.2.2電磁炮系統(tǒng)打靶測試打開電源，分別在手動模式、自動目標追蹤打擊模式、自動巡航打擊模式下，對電磁炮進行打靶測試，測試過程中以紅色塑料瓶作為靶標，如圖6.2.2所示。同時不斷等距增大目標的距離，測試和對比電磁炮系統(tǒng)在不同模式下的打擊精度。為保證數據的可靠性，每組相同距離測試20次，記錄實際落點后取平均值。圖6.2.2電磁炮系統(tǒng)打靶測試圖不同模式下測試結果：手動模式：在該模式下，通過卷尺測量目標實際距離，然后輸入各項參數（所測目標距離、炮管角度等）后，點擊enter鍵，炮彈能夠成功發(fā)射并準確落擊中目標。該模式下打靶數據如表6.1所示。表6.1手動模式下測試數據理論落點距離值（mm）測試次數平均實際落點距離值（mm）平均誤差（mm）1000201015.415.42000202018.718.73000203025.425.44000204030.530.5自動目標追蹤打擊模式：在該模式下，電磁炮系統(tǒng)能夠自動通過OpenMV視覺模塊尋找紅色目標，然后電磁炮的炮臺跟隨目標轉動，從而追蹤并鎖定目標，然后系統(tǒng)自動根據測距模塊位置距離反饋，計算出充充電時間，系統(tǒng)對儲能電容進行充電，充電完成后電磁炮系統(tǒng)自動發(fā)射炮彈，最后炮彈成功發(fā)射并擊中紅色目標，完成打擊后系統(tǒng)自動停止，退出該模式，重新進入模式選擇界面。該模式下打靶數據如表6.2所示。表6.2自動目標追蹤打擊模式下測試數據理論落點距離值（mm）測試次數平均實際落點距離值（mm）平均誤差（mm）1000201012.412.42000202015.015.03000203022.722.74000204027.627.6自動巡航打擊模式：在該模式下，電磁炮系統(tǒng)舵機云臺能夠自動左右轉動巡航，在此過程中尋找紅色目標，發(fā)現目標后，系統(tǒng)自動根據測距模塊位置距離反饋，計算出充充電時間，系統(tǒng)對儲能電容進行充電，充電完成后電磁炮系統(tǒng)自動發(fā)射炮彈，最后炮彈成功發(fā)射并擊中紅色目標，完成打擊后舵機炮臺繼續(xù)巡航，尋找新的目標。該模式下打靶數據如表6.3所示。表6.3自動巡航打擊模式下測試數據理論落點距離值（mm）測試次數平均實際落點距離值（mm）平均誤差（mm）1000201025.625.62000202027.027.03000203030.730.74000204037.537.5最后通過觀察和對比上面三種打擊模式下表格數據發(fā)現，手動模式下的炮彈落點距離誤差為22.50mm，自動目標追蹤打擊模式下的炮彈落點平均距離誤差為19.42mm。自動巡航打擊模式下的炮彈落點平均距離誤差為30.2mm。由此可見該系統(tǒng)自動模式下準確度較高，且穩(wěn)定性較強。第7章總結與展望本設計研究了自主目標搜尋與打擊的移動式智能電磁炮系統(tǒng)。通過對系統(tǒng)的軟件和硬件進行詳細設計，該設計能夠實現通過藍牙模塊對電磁炮系統(tǒng)進行無線遙控，控制其到達指定位置后，由OpenMV視覺模塊對目標物體進行捕捉鎖定，通過激光測距測算出目標距離，然后電磁炮發(fā)射系統(tǒng)對目標進行精確打擊。通過對系統(tǒng)進行測試。該電磁炮系統(tǒng)可實現在低壓供電的情況下，4m范圍內能夠對地面目標進行精確打擊，且距離誤差不超過10cm，另外我們對該電磁炮分別在手動模式、自動追蹤打擊模式、自動巡航打擊模式下工作的精度進行了測試，在靶心位置不同的情況下，對每一情況記錄20組數據。測試表明，手動模式下的炮彈落點距離誤差僅為22.50mm，自動追蹤打擊模式下的炮彈落點平均距離誤差僅為19.42mm。自動巡航打擊模式下的炮彈落點平均距離誤差僅為30.2mm。由此可見該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，且自動化程度較高，成功達到預期目標。自動目標搜尋與打擊的移動式電磁炮系統(tǒng)是一種高科技的武器系統(tǒng)模型，可以實現自動目標識別和打擊，具有重要的應用前景。隨著科技的發(fā)展，人工智能技術和圖像識別技術的應用越來越廣泛，該系統(tǒng)可以將這些技術應用到武器系統(tǒng)中，實現自動化和智能化。在軍事方面，該系統(tǒng)可以在危險環(huán)境下代替人員進行作戰(zhàn)，提高戰(zhàn)爭的效率和安全性。在反恐行動中，該系統(tǒng)可以快速地定位和消滅恐怖分子，保護國家的安全。此外，該系統(tǒng)還可以在邊境管理、海上安全、反海盜作戰(zhàn)等方面發(fā)揮重要作用。參考文獻周萬禹,胡乃瑞,楊美琪,朱一飛.電磁炮系統(tǒng)的模擬設計[J].電子器件,2020,43(4):949-952.陳楠,劉家瑋,鄭力嘉,楊鈺蕙,蔡文聰,彭力.基于多模式切換的高精度電磁炮系統(tǒng)[J].大學物理,2022,11(1)：72-76.屈召貴,楊睿,孫學斌,饒蓉.基于激光制導的模擬曲射電磁炮設計[J].物聯網技術,2022,6(1):71-73.林政宇,王福杰,秦毅,郭芳,任斌.基于OpenMV視覺伺服的高精度電磁炮實驗裝置系統(tǒng)[J].中小企業(yè)管理與科技,2021(11):182-183.馮曉暉.電磁炮物理模型構建與系統(tǒng)實現研究[J].黑龍江科學,2018,9(5):134-135.黃佳琪,王善偉,毛凌青,陳金江.智能模擬電磁炮控制系統(tǒng)設計[J].電腦知識與技術：學術版,2020,16(5):225-226.劉賽南,李東升,何月陽,王國權,周海軍.智能掃描定位電磁炮設計[J].科學技術創(chuàng)新,2020(31):79-81.唐勇,費付聰,周延懷.自制演示型電磁炮及其相關研究[J].物理教師,2015,0(1):47-48.宋躍,余熾業(yè),胡勝.“單片機與接口技術”精品資源共享課設計與建設[J].實驗技術與管理,2017,34(6):150-153.朱林海,洪曉芳,高芳芳,韓莉娜,劉茜.基于藍牙監(jiān)控的智能循跡運輸小車設計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2021(3):126-130.黃建能,楊光杰.無線遙控小車[J].現代電子技術,2012,35(23):126-128.李如年,王敬,王海.新概念動能武器—電磁炮[J].中國電子科學研究院學報,2011,6(2):125-129.黃強,郭東橋,卞光榮.電磁炮的原理與技術發(fā)展[J].現代物理知識