基于单片机的模拟电磁曲线炮

信息通信INFORMATION&COMMUNICATIONS
2020 (Sum.No206)
2020年第02期
(总第206期)
基于单片机的模拟电磁曲线炮
孙丽茹
(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江佳木斯154000)
摘要：该系统为舵机控制电磁曲线炮发射的系统，系统由单片机进行控制，包括云台、显示模块、供电系统以及电磁炮的机械结构，使用陀螺仪获取俯仰角和偏移角的数据作为采样值，通过PID算法实现对炮筒角度的控制和计算炮筒到靶心的距离，采用人机交互来实现各个功能之间的转化。

经过理论测试，该系统可以实现题目要求是各项功能。

电磁曲线炮在电磁的作用下产生能量，电磁能转化为动能为弹丸发射提供初速度，在已经设定好炮筒的角度、距离下自动搜索靶心击中目标。

关键词：电磁;曲线炮；陀螺仪;PID算法
中图分类号:TP212文献标识码:A文章编号:1673-1131(2020)02-0070-03
0引言
近些年来随着科技的整体的进步同时推动了整个武器的
相关进步，电磁炮正在逐渐得到了诸多的关注。

电磁炮是利用电磁力代替火药爆炸力来加速弹丸的电磁发射系统。

电磁炮具有高伤害率、易于安装以及使用寿命长等优点，因此在国防军工起到了重要的作用。

随着生活水平的不断提高，人们对电磁炮的控制速度以及准确度等都提出了更高的要求，因此，对提高电磁炮的控制速度以及控制准确度的研究就变得非常有意义。

本文所设计的模拟电磁炮系统由单片机进行控制，包括云台、显示模块、供电系统以及电磁炮的机械结构，使用陀螺仪获取俯仰角和偏移角的数据作为釆样值，在处理相关的采样值时更是釆用了经典的PID算法来对数据进行处理,这更加使得电磁炮曲线被模拟的更加准确。

1系统模型分析
(3)
当式中2=0,则螺线管轴线中心的轴向磁场强度为:
“+J"2+Q+z)2
1.3多层螺线管轴线外的磁场
(4)
螺线管轴线外任意点的磁场可根据轴向磁场公式(1),按谢尔茨公式展开即可。

根据上述公式就可以计算出螺线管轴线上和轴线外任意点的磁场。

1.4螺线管轴线上的磁场分布
为了进一步更好地去模拟出相关的电磁曲线炮，本章将分析整个电磁曲线产生的相关理论和对其进行定量的计算,为后文设计相关的系统做出理论支撑。

1.1单层螺线管
单层螺线管当中其轴线上任意一点,z方向的磁感应强度Ba为：
Bzo=(1)
当i»i•时,可视为无限长螺线管，由(1)式可得轴向磁场强度Ba为:
式中：I为励磁电流;L为螺线管长度;n,为螺线管单位长度上的匝数;r为螺线管的半径;z为螺线管中心o至轴线上某点的距离。

1.2多层螺线管
对于多层螺线管，其轴向磁场强度可以看作多个单层螺线管在轴上的磁场强度的叠加。

若螺线管的外半径为",内半径为r”线圈的厚度为r°-r”每层单位长度上的匝数为m,单位厚度上的层数为n”通过计算可得到多层螺线管轴线上任意点的轴向磁场强度为：
根据公式(3)(4)，利用MATLAB计算得到如下磁场沿轴向的分布：
⑴轴向磁场随着螺线管的长度的增加而均匀区的长度变长。

(2)分析完相关的磁场之后,需要对整个弹道进行相关的分析。

弹丸从螺线管打出之后类斜抛运动，打出时的初速度为v…,方向为切线方向，水平和竖直方向产生的速度为初速度的分量,水平的速度为Vo sina,竖直方向的速度为v0cosa,可以计算出弹丸运动过程中的时间t、水平方向的距离等。

a是用六轴陀螺仪MPU6050测量并计算得出，计算公式如下：
初始状态加速度计读数＞A*=0；A y=0；4=1g；
此时俯仰角为0,各轴上的静态加速度值为初始状态的数值。

当X轴与水平面产生俯仰角a时，旋转后仍要保持竖直方向是lg的加速度，所以要将X轴和Z轴的加速度值矢量叠加后为lg即可用反正切求出a的大小：
a=tan-号(5)
已知螺线管的磁场强度，磁场的能量、在螺线管内弹丸所受的磁场能量都可以结算出来。

而弹丸在螺线管出口处遵循能量守恒定律，弹丸在螺线管内部产生的能量一部分转化为动能一部分损耗，转换系数为九根据能量守恒定律可知：^zo=|MoHin2^In
Be=rtjnj
收稿日期：2020-01-22
作者简介:孙丽茹(1998-),女,黑龙江绥化人，大学本科,研究方向:通信工程。

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信息通信孙丽茹:基于单片机的模拟电磁曲线炮
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WA=-mv02(6)式中m为弹丸的质量,v°为电磁炮发射弹丸的初速度。

2控制系统硬件设计
本系统为舵机控制电磁曲线炮发射的系统，由单片机进行控制，包括云台、显示模块、供电系统组成了控制系统的硬件部分。

设计框图如图1所示。

主控模块釆用STM32F103ZET6单片机最小系统。

角度检测模块釆用六轴陀螺仪MPU6050.图像识别模块釆用OpenMV摄像头进行图像识别。

摄像头是带机器视觉功能的“Arduino”。

显示模块采用TTT显示屏。

电磁炮模块选用线圈炮形式，由加速线圈和弹丸线圈构成。

电机驱动模块釆用釆用双MG995舵机控制云台。

MG995舵机控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。

整个硬件单元工作的过程中，首先系统开机，屏幕上显示初始信息，有按键选择系统的工作模式和是否开始动作。

系统工作以后,相关传感器开始工作，角度检测和图像识别开始将信号传递到单片机当中，单片机判定是否开始动作。

开始进行模拟动作的过程中,STM32驱动零电压开关，开关驱动储能装置，储能装置带动整个发射装置，最后完成电磁炮向相关环形靶模拟射击的一个过程。

為度检测
屏幕显示按键
图1系统硬件框图
总体的硬件设计如上图所示，接下来需要对核心的硬件部分进行相关简介。

(1)降压模块。

将两个12V电压降低到5V电压,一个用于单片机供电，一个用于舵机供电。

(2)发射模块。

通过第一个继电器闭合给电容充电(此时第二个继电器断开)，当电容充满电后继电器断开，第二个继电器闭合，发射弹丸。

(3)控制模块。

通过独立按键控制系统中的不同模式，和螺线管的俯仰角度，来实现整个系统的模式转换。

3系统软件设计
整个系统的主流程图如图2所示，所设计的系统在开始相关工作后，需要进行各个模块的初始化的动作。

初始化之后，需要进行按键消抖，然后进行是否需要一键校准的判断,判断通过开始选择工作模式，最后工作模式完成后系统结束工作。

功能选择
结束
图2系统的主流程图
本系统釆用PID算法,PID算法控制机由舵机转动的角度比例P,角度误差积分I和角度微分D组成。

其输出e(t)与输出U(t)的关系为：
U(t)=P•[e(t)+y e(t)dt+D•(7)传递函数为：
呦二器二卩屮+言+小]⑻
P能对舵机转动角度进行调整。

I能消除系统稳态误差。

D反应舵机角度的变化率，即角速度。

PID算法可以改善系统的动态性能,在微分时间选择合适情况下，减少调节时间。

4测试结果及其分析
通过控制炮筒的俯仰角和偏移角，测量10次弹丸落在靶子上的位置，计算出平均值进行画图，具体如图3所示。

图3角度与距离的关系图
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位置限制的低干扰中继器放置问题
张艳维，唐凤玲
(西安交通工程学院，陕西西安710300)
摘要：文章主要研究了位置限制的低干扰单层无线传感器网络模型，即中继器只能被放置在可供选择的位置上，使最终形成的网络达到预期的连通性并且干扰性最小。

该文针对二维空间提出了使最终网络达到单连通和双连通并且干扰性达到最小的算法，同时也提出了当传感器被放置在水下环境时满足双两通的算法及其它们的性能比。

关键词：无线传感器网络;连通;低干扰;算法
中图分类号:O121.8文献标识码:A文章编号:1673-1131(2020)02-0072-02
无线传感器网络包含了许多既廉价又低能量的传感器，主要作用是感知周围的环境并且把感知的信息传给汇点，在传输信息的过程中就有能量的消耗，有些节点就会坏死，最终会导致网络的瘫痪,为了延长网络的寿命，人们提出在网络中放置一些高能量的中继器使网络达到所要求的连通性，在现实中，干扰性问题或其他原因，有些地方是不允许放置中继器,该问题为带位置限制的中继器的放置问题，
以上研究只考虑到在允许放置中继器的位置放置最少个数的中继器使最终网络达到所要求的连通性，但是并没有考虑到各节点之间的干扰性，本文在其基础上研究了在候选位置放置最少个数的中继器使网络达到要求的连通性并且使得干扰性达到最小。

提出了问题的算法并且给出了性能比分析。

1二维空间及三维空间的双连通问题
1.1相关符号及定义
符号：令X表示传感器集合，L表示中继器的集合，r 表示传感器的传输半径,R表示中继器的传输半径,Y表示可放置中继器的位置集合即候选位置集合，d(u,v)表示节点u和节点v的欧氏距离，d H(u)表示节点u在图H中的度,A(H)表示图H的最大度,N(u)表示与节点u相连接的邻居。

定义1给定传感器集合X,中继器集合L,R和r分别为中继器和传感器的传输半径，则可以构造出无向图G(V,E, R),其中卩=S。

Z,边集的定义如下：
对于任意两点u,vWX,如果d(u,v)Wr,则E中就包含这条边(u,v)；
对于任意两点u,vWL,如果d(u,v)WR＞则E中就包含这条边(u,v)；
对于任意两点uGX,VGL,如果d(u,v)WR,则E中包含这条边(u,v)。

定义2在无向图G(V,E,R)中,其中V=SuLC假设每个候选位置都被放置了中继器)，给图G(V.E.R)的每个节点u定义中继值Y(u)：
0U€X
Y(u)=(1) 1ue Y
子图的中继值Y(H)被定义为:Y(H)为子图H中所有中继器节点的个数总和，即：
"H)=Y°“』(u)=|WH)CY|⑵
定义3—个中继器被放置在候选位置以后，用与这个中继器通信的传感器个数表示干扰值，图G(V,E,R)中的每个节点u的干扰值定义如下：
0ueX
/(»)=•(3) |N(u)cX|ue Y
子图的干扰值1(H)被定义如下：I(H)为子图H中与每个中继器节点可以相互通信的传感器节点的个数总和，即：
定义4在无向图G(V,E,R)中，给每个节点赋两个权重函数Y(u)和I(u),则诱导出了一个新图G(V,E,R,Y,I),称为初始图。

1.2问题的描述及讨论
收稿日期：2019-12-10
参考文献: 5结语
本文利用STM32单片机作为主控器，设计了一种智能化的模拟电磁曲线炮系统。

该系统在STM32单片机的基础，釆用TFT显示屏、六轴陀螺仪MPU6050传感器构建了硬件部分，同时引入PID控制器，并将其作为所提系统的控制策略,以计算标定角度偏差，指导主控器对模拟电磁炮进行控制。

通过仿真实验，本设计对模拟电磁炮曲线角度控制精度与控制效率都较高，控制过程较为平稳，可为电磁炮控制系统的进一步研究提供参考。

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