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【摘要】電磁曲射炮的研究對于軍事和工業領域都有極為重要意義。為提高電磁曲射炮控制效果，現設計采用嵌入式技術的STM32單片機為核心模擬電磁曲射炮系統，對工作模擬電壓進行采集，協助遙控手柄對角度傳感器炮口仰角幅度進行調整，創新引入大數據技術的控制專家庫數據且采用圖像處理電路來實現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形靶，完成發射后記錄命中情況并更新控制專家庫，實驗結果表明該系統能夠實現電磁曲射炮瞄準與射擊的自動控制和優化。

【關鍵詞】嵌入式；STM32；大數據技術；電磁曲射炮

電磁曲射炮顧名思義是用電磁力發射彈丸并力求準確命中目標[1]，而能夠通過電磁力發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，結合電磁學、力學等理論，本文模擬設計一種基于嵌入式與大數據技術的模擬電磁曲射炮系統。結合嵌入式技術目的是為了設計的電路系統體積小，運算速度快，穩定性強，低功耗，而且功能強大[4]；結合大數據技術目的是為了建立控制專家庫數據[5]，記錄每一次發射前后的所有電路參數和發射效果，通過算法模型不斷優化自動控制參數，以提高電磁曲射炮控制效果。文章采用內核是ARM32位Cortex-M3CPU的STM32單片機，并采用DC-DC升壓恒壓恒流可調電路和ADXL345傾斜度角度傳感器，程序設計時在每次發射任務初始化時通過無線網絡連接云端服務器獲取控制專家庫數據進行對比和參考，且在發射完成后注意更新控制專家庫數據。相比市面已有的模擬電磁曲射炮，本次設計的控制系統精度更高、穩定性更強，可以在實際應用中進行推廣。

1電路模塊的設計

1.1電路硬件系統總體設計

本系統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絡收發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據，同時通過無線網絡收發電路接收云端服務器控制專家庫數據進行參考，再由主控芯片發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，從而來實現電磁曲射炮的發射。電路硬件系統總體框圖如圖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、復位按鍵和OLED液晶顯示，主控芯片采用STM32系列的ARM32位Cortex-M3CPU。若復位按鍵按下，則單片機的所有數據恢復到最初始的狀態，PA、PB、PC、PD口則用于傳輸顯示數據，OLED則是實時顯示系統工作時的電壓值、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升壓恒壓恒流可調電路

由于該電磁曲射炮系統發射彈丸時，電感線圈需要產生比較強的磁場，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電路，電壓可從10－12V升到95－100V，調節電位器RP1的阻值大小就可調節電壓的放大倍數，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，但當開關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數字接口訪問，由圖像處理電路所采集到的數據，可用手柄調整，也可自動調節，電磁曲射炮的仰角角度。電路如圖5所示。

2系統軟件設計

2.1電磁曲射炮系統軟件設計

系統的軟件程序由C語言編寫，電路上電后系統進行初始化，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、設定電壓值等參數，然后等待按鍵操作，進行按鍵輸入和調整，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、引導標識別到炮臺與水平夾角、與環形靶心到炮臺與中心軸的夾角，按下確認鍵，系統將進行發射操作。無論是手動輸入環形靶中心與定標點距離，還是自動識別環形靶定標點距離，都先通過無線網絡從云端服務器獲取控制專家庫數據，參考歷史數據中最優的控制數據并結合本次發射實際要求，計算目標距離、發射角、發射電壓等各項參數，然后根據控制數據調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，彈丸發射出去后記錄本次發射所有運行數據并上傳云端服務器更新大數據分析所需的控制專家庫信息，最后將結果反饋至顯示屏即完成本次整個發射過程。系統軟件流程圖如圖6所示。

2.2環形靶識別控制程序設計

對于環形靶的自動追蹤和識別，采用邊界模糊識別的算法，首先參考控制專家庫數據和所在環境的環形靶顏色值推導邊界閾值，界定一個邊界模糊參數并設定該邊界閾值。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，啟動對環形靶的不斷拍照并不斷根據邊界閾值進行目標物體的識別，相應的識別信息傳至主控電路同時控制舵機云臺搜尋目標，以實現對環形靶的識別和實時追蹤，流程圖如圖7所示。

3系統測試與分析

3.1系統測試儀器

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

3.2系統測試與結果分析

（1）當電磁曲射炮環形靶中心與定標點的距離為250cm時的各項情況，其測試結果如表1所示。據測試結果分析，距離偏差的絕對值不超過50cm，而且炮彈發射的距離與電壓有關。（2）當電磁曲射炮環形靶中心與定標點的距離為270cm（設270cm為10環，每環距離為5cm）時，自動瞄準射擊的各項情況，其測試結果如表2所示。據測試結果分析，誤差大致在一環左右，滿足實際應用要求。（3）當電磁曲射炮測試中設定環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），測試啟動后，記錄電磁曲射炮自動瞄準射擊的各項情況，其測試結果如表3所示。據測試結果分析，誤差大致在一環左右，滿足實際應用要求。（4）在一定的范圍內（該范圍設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形靶，測試啟動后，電磁曲射炮自動搜尋目標并炮擊環形靶的各項情況，其測試結果如表4所示。據測試結果分析，誤差大致在兩環左右，滿足實際應用要求。

4結語

系統通過引入嵌入式和大數據技術，實現了電磁曲射炮發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。經過測試數據分析，能夠滿足實際應用的全部要求，符合國家安全標準，而且性價比高及環保。另外，一些參數較目前市場現有產品參數還有擴展，例如發射完成時間≤45s，距離偏差的絕對值不大于8cm。實踐表明，本文設計的模擬電磁曲射炮系統精度高和穩定性強，可進行廣泛應用和推廣。

參考文獻

[1]陳錦儒,劉萱,何家忠.基于機器視覺的模擬電磁曲射炮實驗平臺開發與應用[J].工業控制計算機,2019,32(12):80-82.

[2]張清勇,呂笑天,李志勇,等.基于STM32的模擬電磁曲射炮實驗系統設計[J].實驗室研究與探索,2020,39(10):77-82.

[3]劉安彬,向勁松,張江.自動識別打擊的智能電磁曲射炮系統[J].科學技術創新,2020(9):61-62.

[4]王森.嵌入式系統的應用領域與發展研究[J].電腦編程技巧與維護,2020(5):23-24.

[5]張娜,馬燕,崔桓睿,等.大數據技術進展與發展趨勢[J].通訊世界,2019(2):78-79.

作者:蒙飚 單位:柳州職業技術學院電子信息工程學院