陸空一體探索、進(jìn)攻機(jī)器人

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 白千帆 張明霞 趙慧弢 馮時(shí)瑞

本文設(shè)計(jì)了一種車載電磁炮與伴飛無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，采用多主控的方式，實(shí)現(xiàn)了由上位機(jī)控制、可自主探索的機(jī)器人。在機(jī)器人發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，上位機(jī)發(fā)送開炮指令后，機(jī)器人會(huì)進(jìn)行電磁炮充能并發(fā)射，摧毀目標(biāo)。車體運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟隨伴飛，形成空中威懾。

本文設(shè)計(jì)的一種車載電磁炮與伴飛無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，采用多主控芯片分別控制不同的部分：車體采用STM32G0作為主控，實(shí)現(xiàn)接收上位機(jī)的指令、采用PID控制車體行進(jìn)、采集傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑規(guī)劃等功能；電磁炮識(shí)別采用OpenMV攝像頭，電磁炮二軸云臺(tái)采用STM32F0作為主控，通過串口接收數(shù)據(jù)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行PD控制；無(wú)人機(jī)采用STM32F4作為主控，實(shí)現(xiàn)飛控算法等功能。同時(shí)，分別設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)多電路板并行工作，保證了各部分的供電安全與高集成度。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)的發(fā)展，對(duì)小型智能導(dǎo)彈的需求越來(lái)越大。而電磁炮作為一種小型智能導(dǎo)彈，是目前國(guó)防以及科技發(fā)展的方向之一。其原理為使用洛倫茲力加速?gòu)椡?，比依賴化學(xué)能發(fā)射的傳統(tǒng)火炮更加精準(zhǔn)，并且具有初速度快、加速度可控等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，電磁炮不僅可以廣泛應(yīng)用在武器領(lǐng)域，其同樣可以應(yīng)用在相關(guān)物理課堂教學(xué)中作為教學(xué)模型，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目是基于STM32的具有上位機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)控、車載電磁炮與無(wú)人機(jī)一體化的探索、進(jìn)攻機(jī)器人設(shè)計(jì)。其中，車體部分采用萬(wàn)象輪與后兩輪雙驅(qū)的設(shè)計(jì)，以STM32G0作為主控，結(jié)合激光測(cè)距雷達(dá)、Zigbee無(wú)線通信、2.4G無(wú)線通信、電機(jī)編碼器等設(shè)計(jì)而成。電磁炮部分采用二軸云臺(tái)方向設(shè)計(jì)，以STM32F0為主控，并搭載舵機(jī)供電電路。無(wú)人機(jī)部分以STM32F4為主控，搭載MPU9250、BMP280等外設(shè)。

系統(tǒng)采用上位機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)控與下位機(jī)自動(dòng)運(yùn)行結(jié)合的方式進(jìn)行工作。車體部分行進(jìn)的同時(shí)，OpenMV攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像識(shí)別，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物立即瞄準(zhǔn)并通過串口傳輸信號(hào)給電磁炮控制單元與車體控制單元。此時(shí)車體立即停車，電磁炮控制單元收到信號(hào)后，立即觸發(fā)繼電器，實(shí)現(xiàn)電磁炮電容充電、發(fā)射的動(dòng)作。在此期間，無(wú)人機(jī)在車體部分行進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)伴飛動(dòng)作，并懸停在目標(biāo)物附近，形成空中威懾。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電磁炮系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

電磁炮系統(tǒng)硬件電路包括儲(chǔ)能電路、電容充電電路、電容放電電路和電容充放電開關(guān)電路。儲(chǔ)能電路采用4個(gè)1000UF電容器與6個(gè)220UF電容器，耐壓值為450V，并設(shè)有AD采樣分壓電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸的三級(jí)加速。電容充電電路采用繼電器控制，工作時(shí)由升壓模塊將12V輸入電源升壓至450V對(duì)電容進(jìn)行充電。電容放電采用可控硅作為觸發(fā)器件，紅外管作為觸發(fā)信號(hào)源進(jìn)行三級(jí)加速觸發(fā)。電容充放電電路接口為充電電路繼電器控制端口與第一級(jí)觸發(fā)電路控制端口。考慮到控制的安全性，采用兩路繼電器模塊進(jìn)行控制，并預(yù)留I/O接口供二軸云臺(tái)控制單元進(jìn)行控制。

2.2 二軸云臺(tái)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

二軸云臺(tái)系統(tǒng)采用兩路DS3120MG舵機(jī)，工作電壓為4.8V-6.8V，在4.8V時(shí)扭矩為18.2kg.cm，工作電流為1A，堵轉(zhuǎn)電流2.5A?？紤]到供電電流較大，故在云臺(tái)控制電路板的設(shè)計(jì)中采用MP2482DN降壓BUCK電路，其最大工作電流為5A，可以滿足設(shè)計(jì)需求。同時(shí)，另采用AMS1117作為MCU以及OpenMV的線性電源。MCU采用STM32F030F4P6，預(yù)留串口接口與程序接口，接收到控制信號(hào)后立即對(duì)兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行PD控制。同時(shí)，也可以通過預(yù)留的板載按鍵進(jìn)行簡(jiǎn)單操控。二軸云臺(tái)原理圖如圖1所示。

圖1 二軸云臺(tái)原理圖

2.3 車體系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

車體系統(tǒng)采用STM32G070CBT6作為主控芯片，其芯片資源豐富，擁有4路串口，能夠滿足此次設(shè)計(jì)的需求。車體系統(tǒng)電路板采用L7805CD2T與XC6206芯片進(jìn)行供電，并板載TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片與兩路電機(jī)接口。同時(shí)，預(yù)留出4路串口等接口，外接Zigbee無(wú)線通信模塊、激光雷達(dá)模塊、2.4G無(wú)線通信模塊等。車體系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 車體系統(tǒng)原理圖

2.4 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)采用STM32F411CEU6作為主控芯片，并板載MPU9250、BMP280等外設(shè)，方便在飛行時(shí)進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)的讀取。各芯片的封裝均為UQFN封裝并采用四層板設(shè)計(jì)，方便縮小電路板體積，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 二軸云臺(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過預(yù)留串口接收OpenMV攝像頭的圖像處理信息，接收其計(jì)算好的圖像與電磁炮準(zhǔn)心偏差值，當(dāng)角度在系統(tǒng)設(shè)定的范圍內(nèi)時(shí)，直接對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，否則則偏轉(zhuǎn)最大范圍。數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)為形如“M1xxx”，“M2xxx”的五個(gè)字符組成的字符串。其中，“M1”表示控制縱向舵機(jī)，“M2”表示控制橫向舵機(jī)，“xxx”表示計(jì)算出的定時(shí)器CCR寄存器值的比較值。主控芯片STM32F030F4P6通過定時(shí)器3通道1和通道2生成對(duì)應(yīng)占空比的PWM波來(lái)改變舵機(jī)的位置。

3.2 車體系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后進(jìn)行模式選擇，通過上位機(jī)Zigbee模塊發(fā)送相應(yīng)指令或通過電路板板載按鍵進(jìn)行選擇，可設(shè)置自動(dòng)探索模式與手動(dòng)操作模式。自動(dòng)探索模式通過采集激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行路徑分析，通過一種蛇形路徑規(guī)劃方案來(lái)實(shí)現(xiàn)車體系統(tǒng)的自動(dòng)探索，如圖3所示。手動(dòng)操作模式通過接收上位機(jī)的指令進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)，包括：前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)、停車以及相應(yīng)的速度設(shè)置等。同時(shí)，車體系統(tǒng)搭載24L01無(wú)線傳輸模塊，可以將運(yùn)動(dòng)指令實(shí)時(shí)傳輸給無(wú)人機(jī)。

圖3 蛇形路徑規(guī)劃方案

3.3 OpenMV軟件設(shè)計(jì)

圖像數(shù)據(jù)由OpenMV感光芯片收集，并回傳160*120分辨率圖像，通過對(duì)圖像的預(yù)處理，采用顏色識(shí)別的方式，對(duì)圖像中的最大在提前設(shè)定好的顏色閾值內(nèi)的色塊進(jìn)行框選，取出最大色塊的像素信息及位置信息對(duì)其處理，通過計(jì)算獲得電磁炮準(zhǔn)心與目標(biāo)物的偏差值。對(duì)于獲取的偏差值，將其送入PID控制器中，通過控制器的計(jì)算，得到舵機(jī)云臺(tái)水平和俯仰的輸出值，通過OpenMV串口將輸出值傳送給二軸云臺(tái)系統(tǒng)主控，通過STM32實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的進(jìn)一步控制。

結(jié)語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的具有上位機(jī)遠(yuǎn)程調(diào)控、車載電磁炮與無(wú)人機(jī)一體化的探索、進(jìn)攻機(jī)器人設(shè)計(jì)。通過Zigbee模塊可以使上位機(jī)與下位機(jī)相連，傳輸信息并進(jìn)行控制。車體探索過程中，OpenMV攝像頭實(shí)時(shí)進(jìn)行識(shí)別，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)物后，二軸舵機(jī)云臺(tái)系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行瞄準(zhǔn)，并在上位機(jī)發(fā)送開炮指令后，進(jìn)行電磁炮充能并發(fā)射，摧毀目標(biāo)。車體運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟隨，形成空中威懾。實(shí)際作品如圖4所示。