CN110631415B - 一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统，包括通过OpenCV图像识别定位具有颜色特征的靶标，采用激光雷达传感器测量电磁炮炮筒与目标靶的距离，具有较高的精确度。提出一种基于电压检测的方法，预先拟合储能电容两端电压与电磁炮发射距离的关系曲线，每一个放电电压对应一个固定的发射距离，放电时根据距离远近，确定储能电容两端的放电电压，并产生电磁力将弹丸射出，击中目标靶。实现了电磁炮的高度自动性，为未来电磁炮的深远发展提供了一种可能。

Description

一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统

技术领域

本发明涉及电磁炮发射技术领域，主要涉及一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统。

背景技术

随着物理学理论的不断发展与完善，军事能源不断变革，作战兵器不断更新，枪、炮是作战的主要武器之一。由于作战空间的不断加大，火药对提高炮弹在炮口的发射速度和精确度的能力已很有限，很有必要另辟蹊径。为此，人们把注意力集中于开发研究某些新概念超高速动能穿甲武器，电磁炮就是其中一种。电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进动能杀伤武器，它利用电磁场产生的洛伦兹力对金属弹丸进行加速，使其获得打击目标所需的动能。这种用电磁力代替火药发射物体的技术是21世纪出现的新型高技术，既可以利用超高的动能对目标进行杀伤摧毁，也可以加装弹药对目标进行打击。在军事国防领域有广泛的应用前景，也是近年来的研究热点。

电磁炮与其他火炮相比具有以下特点:(1)弹丸初速高，炮口动能大；(2)射击无声响,无炮口焰；(3)射速高、反应能力强；(4)后勤供应简单,安全可靠等。但现有的电磁炮具有下列不足点：第一，提供给电磁炮能量的电能不易储存，容易损耗。第二，电磁炮储能电压固定，不可调节，这样炮弹的出膛速度与射程即固定，不能根据实际的情况来调节，不具备良好的调节性与应变性。第三，不能自动地对指定物体进行目标射击或打靶。第四，整个装置制作繁杂，重量大，可调性差。欲克服现有电磁炮的诸多缺点，优化现有系统，需对小型化电磁炮模型进行研究。

发明内容

发明目的：本发明提供了一种电磁炮自动打靶系统，通过OpenCV图像识别定位具有颜色特征的靶标，满足了目标多样性的需求。采用激光雷达传感器测量电磁炮炮筒与目标靶的距离，具有较高的精确度。超级电容储能，通过检测电容两端电压决定充放电的状态，放电时产生电磁力将弹丸射出，击中目标靶。实现了电磁炮的高度自动性，为未来电磁炮的深远发展提供了一种可能。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统，包括机械部和控制部；

所述机械部包括安装于舵机云台上的电磁炮筒、激光测距模块和目标识别模块；所述激光测距模块、目标识别模块和舵机云台中心固定在同一竖直线上；

所述控制部包括与串口屏连接的单片机；所述单片机通过继电器连接电容电路，用于控制电容电路充放电；

所述单片机分别与激光测距模块、目标识别模块和舵机云台电连接；所述单片机接收目标识别模块对目标的识别信息后控制舵机云台转动，校准电磁炮筒位置后，单片机控制激光测距模块采集电磁炮筒与靶标的位置，根据单片机预先拟合的放电电压与距离的关系曲线，获得电容电路的放电电压；所述电容电路与电磁炮筒连接，控制电磁炮筒发射；

所述电容电路包括电源，所述电源与充电继电器开关串联于升压模块左侧；升压模块右侧依次串联有整流二极管和储能电容；所述储能电容两端并联有线圈和可控硅开关；所述可控硅开关通过放电继电器与电源相连。

进一步地，所述拟合放电电压与距离的关系曲线方法如下：

(1)将两个串联在一起且比例适当的电阻并联于储能电容两端，单片机采集其中一个较小电阻的电压值，并通过两个串联电阻的比例关系计算得出储能电容两端电压；

(2)缓慢增加储能电容两端电压，在每一个电压下发射三次电磁炮，采集电磁炮射程，获取平均值；

(3)根据离散的储能电容两端电压与电磁炮射程之间的关系拟合出所需曲线。

进一步地，所述激光测距模块优选激光雷达传感器。

进一步地，所述目标识别模块优选OpenCV摄像头，所述OpenCV摄像头由树莓派驱动，通过蓝牙模块实现树莓派与单片机之间的通信。

有益效果：本系统具备以下优点：

(1)OpenCV在视野范围内识别具有颜色特征的靶标，保证了电磁炮在不同场景与环境下均有射击目标，满足了目标多样性的需求，实现了电磁炮的自动射击，并且具有高度的实时性，解决了现有电磁炮自主性差的特点。

(2)采用继电器和可控硅开关来控制储能电容的充放电状态，有效的提高了装置的安全性，防止持续充电损坏升压器和电容。

(3)采用预先拟合放电电压与发射距离曲线的方法，通过控制充电电压来控制射程，较之控制充电时间具有更高的准确性与直观性；当距离确定时，充电电压唯一确定，提高了电磁炮发射的可靠性；电压容易调节，使电磁炮装置具有高度可调节性，解决了现有电磁炮机动性差，不易调节等缺点。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是本发明主程序流程示意图；

图3是电磁炮驱动电路示意图；

图4是激光测距模块运行示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-3所示的一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统，包括机械部和控制部。

机械部包括安装于舵机云台上的电磁炮筒、激光测距模块和目标识别模块。激光测距模块、目标识别模块和舵机云台中心固定在同一竖直线上。控制部包括与串口屏连接的单片机；所述单片机通过继电器连接电容电路，用于控制电容电路充放电。

单片机分别与激光测距模块、目标识别模块和舵机云台电连接。单片机接收目标识别模块对目标的识别信息后控制舵机云台转动，校准电磁炮筒位置后，单片机控制激光测距模块采集电磁炮筒与靶标的位置，根据单片机预先拟合的放电电压与距离的关系曲线，获得电容电路的放电电压。电容电路与电磁炮筒连接，控制电磁炮筒发射；

电容电路包括电源，电源与充电继电器开关串联于升压模块左侧；升压模块右侧依次串联有整流二极管和储能电容。储能电容两端并联有线圈和可控硅开关。可控硅开关通过放电继电器与电源相连，如图3所示。

其中，单片机选用TM4C123GH6PM单片机，激光测距模块采用激光雷达传感器，目标识别模块优选OpenCV摄像头，OpenCV摄像头由树莓派驱动，通过蓝牙模块实现树莓派与单片机之间的通信。

各部分的实现功能如下：

(1)升压模块可提供给电磁炮装置100伏至400多伏的连续可变直流电压，保证电磁炮射程的连续可调。连续使用时需要注意散热问题，输出端不可短路。升压器额定的输入和输出电压必须与直流电源和电容的额定电压匹配，否则容易损坏。

(2)电容电路由储能电容、可控硅、整流二极管、继电器组成。电源经过升压模块后将获得高电压，此高电压通过整流二极管再给储能电容充电，整流二极管具有明显的单向导电性，可以将交流电能转变为直流电能。这里采用硅整流二极管，其击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好，有利于电磁炮系统高效稳定运行。储能电容采用容量较大的超级电容，可以并联多个增大容量。采用继电器和可控硅开关来控制储能电容的充放电状态，有效的提高了装置的安全性，防止持续充电损坏升压器和电容。

(3)激光雷达传感器用来准确测量电磁炮与目标靶的距离。其独特的光学、电学、算法设计，可以实现稳定、精准、高灵敏度和高速的距离测量的功能。并且可以保证电磁炮在室外强光、不同温度、不同反射率等不同环境下均可正常工作，为炮弹高精度的射击靶标提供了可靠性。

(4)OpenCV在视野范围内识别具有颜色特征的靶标，保证了电磁炮在不同场景与环境下均有射击目标，满足了目标多样性的需求。摄像头实时采集目的靶标在图像中的像素值，与图像中心的像素值作比较，从而不断调整舵机的转动，使靶标位于图像中央，即炮管指向正对靶标。OpenCV自动检测靶标的位置，实现了电磁炮的自动射击，并且具有高度的实时性。这一技术解决了现有电磁炮自主性差的特点。

(5)串口屏实时显示当前储能电容两端的电压值，并对整个电磁炮装置起到一键启动的功能。直观性强。

其中，拟合放电电压与距离的关系曲线方法如下：

1)将两个串联在一起且比例适当的电阻并联于储能电容两端，单片机采集其中一个较小电阻的电压值，并通过两个串联电阻的比例关系计算得出储能电容两端电压；

2)缓慢增加储能电容两端电压，在每一个电压下发射三次电磁炮，采集电磁炮射程，获取平均值；

3)根据离散的储能电容两端电压与电磁炮射程之间的关系拟合出所需曲线。

下面给出一种具体实施例：

首先，放置带颜色的靶标(如红色)，通过串口屏一键启动装置，电磁炮即可实现自动打靶。下面结合图2详细说明：

OpenCV由树莓派驱动，OpenCV读取每一帧图像后，将RGB颜色制式转化为HSV颜色制式，HSV分别代表色调、饱和度、亮度。根据所需颜色设置HSV颜色参量，由于光线的影响，读取的每一帧图片可能存在太亮或者太暗的问题，直方图均衡化可以将每个区间的像素点分布更均衡，使图像的层次感更强。因为我们读取的是彩色图，直方图均衡化需要在HSV制式下操作。对得到的图像进行二值化操作，通过开操作去除一些噪点，闭操作连接一些连通域，滤波操作后输出图像并获取目标靶的坐标值。

在视野区内任意放置红色靶标，OpenCV实时识别出红色靶标的位置，计算出其与图像中心(X轴)的像素差。通过蓝牙模块实现树莓派与单片机的通信，保证了单片机实时获取像素差，该像素差乘以一定的比例因子P作为舵机平台PWM调节值，接着不断调整舵机平台左右转动，直至像素差趋于零，表示炮弹会正对着靶标出射。

如图4所示，舵机停止转动后，激光雷达采集电磁炮距红色靶标的距离，多次采集取出平均值。并将此距离通过串口传送给单片机。根据单片机预先拟合的放电电压与距离的关系曲线，获得电容电路的放电电压。

如图3所示，12V电源电压先经过升压模块，得到100V至400V的连续可变直流高电压，此高电压通过整流二极管后给储能电容充电，整流二极管具有明显的单向导电性，可以将交流电能转变为直流电能。这里采用硅整流二极管，其击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好，有利于电磁炮系统高效稳定运行。储能电容采用容量较大的超级电容，可以并联多个增大容量。其中升压模块连续使用时需要注意散热问题，切不可使输出端短路。这里必须注意升压器额定的输入和输出电压必须与直流电源和电容的额定电压匹配，否则容易损坏。电容充放电的详细步骤为：

(1)当开关1闭合时，储能电容通过升压模块进行充电，单片机实时检测电阻1的电压值，一旦达到预定值后，停止充电，即断开开关1。

(2)当开关1断开时，电路处于待发状态，由于可控硅开关的阻碍，电容不能向线圈放电。可控硅开关起到了很好的保护电路的作用，实现了放电状态人为可控的功能，提高了电磁炮的性能。

(3)接着闭合开关2，可控硅开关被激发导通，电容开始向线圈放电，击发弹丸。

(4)开关1、2在程序自动运行状态下通过继电器实现，其中开关1为充电继电器，开关2为放电继电器。另外，本装置额外接有手动按钮，即电容可手动充放电，也保证在紧急情况下电容可以手动放电，增强了系统的安全性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统，其特征在于：所述控制系统包括机械部和控制部；

所述机械部包括安装于舵机云台上的电磁炮筒、激光测距模块和目标识别模块；所述激光测距模块、目标识别模块和舵机云台中心固定在同一竖直线上；

所述控制部包括与串口屏连接的单片机；所述单片机通过继电器连接电容电路，用于控制电容电路充放电；

所述单片机分别与激光测距模块、目标识别模块和舵机云台电连接；所述单片机接收目标识别模块对目标的识别信息后控制舵机云台转动，校准电磁炮筒位置后，单片机控制激光测距模块采集电磁炮筒与靶标的位置，根据单片机预先拟合的放电电压与距离的关系曲线，获得电容电路的放电电压；具体如下：

(1)将两个串联在一起且比例适当的电阻并联于储能电容两端，单片机采集其中一个较小电阻的电压值，并通过两个串联电阻的比例关系计算得出储能电容两端电压；

(2)缓慢增加储能电容两端电压，在每一个电压下发射三次电磁炮，采集电磁炮射程，获取平均值；

(3)根据离散的储能电容两端电压与电磁炮射程之间的关系拟合出所需曲线；

所述电容电路与电磁炮筒连接，控制电磁炮筒发射；

所述电容电路包括电源，所述电源与充电继电器开关串联于升压模块左侧；升压模块右侧依次串联有整流二极管和储能电容；所述储能电容两端并联有线圈和可控硅开关；所述可控硅开关通过放电继电器与电源相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统，其特征在于：所述激光测距模块选择激光雷达传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于电压检测的电磁炮自动打靶控制系统，其特征在于：所述目标识别模块选择OpenCV摄像头，所述OpenCV摄像头由树莓派驱动，通过蓝牙模块实现树莓派与单片机之间的通信。

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