模擬電磁曲射炮設(shè)計(jì)

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要采用sTM32單片機(jī)作為主控芯片,用openMV3采集數(shù)據(jù),用雙舵機(jī)云臺(tái)控制炮臺(tái)角度和攝像頭方向,通過(guò)oLED顯示模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的交互界面,按鍵可以進(jìn)行模式選擇和距離角度的輸入,以調(diào)整云臺(tái)角度,電源模塊、電磁炮、繼電器控制電磁炮的充電和發(fā)射。下面將其中主要模塊的選擇與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1控制方案選擇

方案一:采用sTM32單片機(jī)。sTM32系列單片機(jī)擁有高性能、低成本、低功耗嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核,程序庫(kù)比較齊全,并且程序?yàn)槟K化,接口相對(duì)簡(jiǎn)單,應(yīng)用較為廣泛。但也存在一定不足,如針對(duì)多路信號(hào)處理需要多片DsP并行處理。

方案二:采用MsP430F5529作為主控芯片。MsP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RIsC）的混合信號(hào)處理器（MixedsignalProcessor）。MsP430單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低、內(nèi)部資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。但是I/o口無(wú)保護(hù),易被過(guò)壓過(guò)流擊穿。

在綜合比較上述兩種方案后,基于本系統(tǒng)的特點(diǎn)采用方案一,使用sTM32單片機(jī)作為主控芯片。

1.2測(cè)距裝置的選擇

方案一:采用激光測(cè)距模塊ATK-VL53L0X測(cè)量標(biāo)識(shí)物體與炮臺(tái)間的距離,但是激光測(cè)距模塊測(cè)量范圍較小,在規(guī)定射程內(nèi)容易受光線強(qiáng)度影響,會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

方案二:采用openMV3測(cè)量炮臺(tái)與標(biāo)識(shí)物間的距離,測(cè)量較為精準(zhǔn),誤差較小,并且用openMV3還可以代替攝像頭尋找目標(biāo),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜尋目標(biāo)。在openMV3與sTM32單片機(jī)之間采用串口通信,實(shí)時(shí)回傳openMV3所測(cè)量的數(shù)據(jù)。

考慮到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與所實(shí)現(xiàn)的功能等方面進(jìn)行分析,本設(shè)計(jì)決定采用功能更為全面的openMV3作為測(cè)距裝置。

1.3電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊不僅給單片機(jī)和云臺(tái)供電,還要給電磁炮電容進(jìn)行充電,給電磁炮提供足夠動(dòng)力。電源的選擇還要首先在保證安全的前提下考慮。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,在采用雙電源對(duì)電路進(jìn)行供電時(shí),既能保證各個(gè)模塊運(yùn)行,還可減少各模塊間的相互干擾,提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,且可保障安全。通過(guò)降壓穩(wěn)壓模塊分別對(duì)sTM32單片機(jī)、openMV3和舵機(jī)進(jìn)行供電,對(duì)電磁炮電容進(jìn)行充電時(shí),所需電壓較高,為避免對(duì)其他模塊運(yùn)行造成影響,本設(shè)計(jì)采用單獨(dú)電源s-15-24AC-DC變壓器給電容充電,通過(guò)繼電器控制電容充電和放電時(shí)間。

1.4電容的選擇

電容在整個(gè)電磁炮組成中起著至關(guān)重要的作用,作為整個(gè)電磁設(shè)備的儲(chǔ)能裝置,可以為電磁炮的發(fā)射提供足夠能量。所以電容的電荷和電壓決定了電磁炮的發(fā)射動(dòng)力。

方案一:采用小電容并聯(lián)方式給電磁炮提供動(dòng)力,當(dāng)采用并聯(lián)方案時(shí),電容容量變大,耐壓值變?yōu)椴⒙?lián)電容中電壓最小值,此方案會(huì)使用較多電容,使用更多資源,但成本較低。

方案二:采用一個(gè)大電容給電磁炮提供動(dòng)力,大電容可以儲(chǔ)存更多電量,還可以優(yōu)化電路結(jié)構(gòu),減少資源使用,且大電容更能保證安全。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)和理論分析,本設(shè)計(jì)決定采用一個(gè)100V、10000uF的大容量電容給電磁炮提供動(dòng)力。

2理論分析和計(jì)算

2.1電容大小計(jì)算

電容器電勢(shì)能計(jì)算公式:e=cu2/2=gu/2

多電容器并聯(lián)計(jì)算公式:c=c1＋c2＋c3＋…＋cn

多電容器串聯(lián)計(jì)算公式:1/c=1/c1＋1/c2＋…＋1/cn

式中,e為電勢(shì)能:c為電容:u為電壓:g為電荷量。

2.2彈丸發(fā)射角度與距離的計(jì)算

當(dāng)電磁炮供電電源和彈丸大小一定時(shí),通過(guò)調(diào)整舵機(jī)角度測(cè)得以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)試和數(shù)據(jù)采集分析,當(dāng)舵機(jī)角度為40。時(shí),發(fā)射距離最大。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析和計(jì)算,理論距離與舵機(jī)角度公式:

式中,s表示距離:x表示角度。

3電路與程序設(shè)計(jì)

3.1電路總體設(shè)計(jì)方案

電路總體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

3.2程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以KEIL為sTM32單片機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境,提供了C編譯器及功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試等完整的開(kāi)發(fā)方案,以0penMVIDE為0penMV的開(kāi)發(fā)環(huán)境,使用python進(jìn)行語(yǔ)言編譯,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和單片機(jī)之間的通信,二者協(xié)同工作,使各功能組態(tài)更簡(jiǎn)潔明了,使用更便捷。

3.2.10penMV實(shí)現(xiàn)主要思想

導(dǎo)入所需模塊,完成初始化設(shè)置,然后進(jìn)行圖像處理。設(shè)置ooVGA模式,即屏幕大小為180mm×120mm,根據(jù)先前設(shè)置的顏色閾值（紅色目標(biāo)）,實(shí)現(xiàn)顏色追蹤功能,再調(diào)用0pneMV相關(guān)庫(kù),將目標(biāo)標(biāo)記出來(lái),然后選取目標(biāo)最大色塊進(jìn)行標(biāo)記,即最后屏幕上只標(biāo)記目標(biāo)最大色塊,然后讀取目標(biāo)色塊的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo),并通過(guò)串口通信發(fā)送給sTM32單片機(jī),進(jìn)行相關(guān)處理后,進(jìn)一步控制舵機(jī),同時(shí)根據(jù)攝像頭成像相關(guān)原理,依據(jù)實(shí)際距離和像素關(guān)系,讀取目標(biāo)與攝像頭直線距離,同樣通過(guò)串口通信發(fā)送給sTM32單片機(jī)。

3.2.2sTM32實(shí)現(xiàn)主要思想

sTM32作為控制板,分為基礎(chǔ)部分和發(fā)揮部分。首先通過(guò)按鍵輸入,整體上分為5個(gè)模式,分別對(duì)應(yīng)基本方法的3種功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)按鍵進(jìn)入模式2,0LED會(huì)進(jìn)行顯示,比較清晰。模式2實(shí)現(xiàn)輸入距離,控制線圈炮將炮彈打出。然后再次按鍵,切換到模式3,通過(guò)函數(shù)的調(diào)用,實(shí)現(xiàn)輸入距離和角度,控制炮彈發(fā)射。發(fā)揮部分主要通過(guò)串口通信接收來(lái)自0penMV的數(shù)據(jù),包括點(diǎn)坐標(biāo)和距離,并讀取寫(xiě)入sTM32程序,實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)舵機(jī)的調(diào)整,進(jìn)而對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。

3.2.3程序流程圖

程序流程圖如圖3所示。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1測(cè)試儀器

（1）卷尺:（2）220V交流電源:（3）靶子:（4）目標(biāo)標(biāo)識(shí)物:（5）量角器:（6）秒表。

4.2測(cè)試方案

（1）搭建好場(chǎng)地后,連接電路電源。（2）分別對(duì)基本部分和發(fā)揮部分進(jìn)行測(cè)試。（3）通過(guò)按鍵選擇測(cè)試內(nèi)容。（4）觀察彈丸擊中的目標(biāo)靶數(shù)并記錄靶數(shù)和所用時(shí)間。

4.3測(cè)試結(jié)果

基本要求測(cè)試結(jié)果如表2所示,發(fā)揮部分測(cè)試結(jié)果如表3所示。

4.4測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出,測(cè)量值存在較大偏差,且在發(fā)揮部分的測(cè)試結(jié)果并不理想,離預(yù)期還有一定的差距。經(jīng)過(guò)對(duì)這個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析發(fā)現(xiàn):舵機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)對(duì)攝像頭數(shù)據(jù)的采集和彈丸的發(fā)射產(chǎn)生一定影響,并且所使用的彈丸材質(zhì)不同也會(huì)對(duì)結(jié)果有一定影響,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),帶磁性的物質(zhì)發(fā)射距離更遠(yuǎn),運(yùn)動(dòng)過(guò)程也更加穩(wěn)定。

5結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用所學(xué)專業(yè)知識(shí),完成了模擬電磁曲射炮的設(shè)計(jì)與調(diào)試工作。模擬電磁曲射炮經(jīng)過(guò)測(cè)試,可以較為精準(zhǔn)地?fù)糁心繕?biāo),但是模擬電磁炮在調(diào)試過(guò)程中也還存在一些問(wèn)題,例如,0penMV在不同光照環(huán)境下的識(shí)別可能會(huì)出現(xiàn)識(shí)別結(jié)果錯(cuò)誤,或者0penMV的識(shí)別會(huì)受到與目標(biāo)相似干擾物的影響等。這些問(wèn)題都需要在以后的改進(jìn)和調(diào)試過(guò)程中解決。