2019全国电赛H题省二论文模拟电磁曲射炮

模拟电磁曲射炮（H题）
摘要：
根据模拟电磁曲射炮的设计要求，在对整体方案的考虑与研究，并经过多次优化后最终确定选用STM32F103ZE76作为MCU。

对于电磁炮部分，我们采用了线圈炮作为主体，用两节耐压值为50V的电容作为单次发射供能装置。

电容的充放电则由与单片机相连的继电器控制。

通过键盘或利用摄像头的方式来获取环标靶的方位，由此获得由两个直流舵机组成二维的云平台的运转角度。

而舵机是由单片机通过其中的PWM技术进行控制。

对于整体的电路我们则用24V 直流稳压电压源进行供电。

对于单片机通过降压后再进行供电，而对电磁炮系统供电我们先利用升压模块进行电源的升压再对电容进行供电。

最后在多次测试后，系统基本达到了设计要求。

关键词:线圈炮；STM32F103ZE76;直流舵机；PWM
一．系统方案
1.实现方法
本体要求设计并制作一个电磁曲射炮，炮管能够在水平方位及垂直仰角方向可调，同时可以将射出的弹丸击中目标环行靶。

于是我们想利用舵机控制电磁炮的发射角度，用键盘来确定电磁炮该如何运作及其之后采用摄像头再利用PID算法来得知方位进行发射。

对于电磁炮，考虑到其需要较大的非恒定电流才可以提供足够的力，我们便决定利用较大的电容进行供电。

于是采用了升压模块。

同时利用了单片机进行了定时的控制。

上述各模块的方案如下：
（1）.控制模块
采用ST公司的STM32F103ZF76作为主控制芯片。

作为32位处理器，其最高频率为72MHz，1.25DMIPS/MHz，可以实现快速运算的能力。

其具备低功耗体积小，技术成熟并且成本低。

同时它还有着自由度大，软件编成灵活等优点。

（2）.电机模块
水平方向的舵机我们采用了Futaba的BLS177SV型号，因为考虑到底层应该要承受较大的力所以要提供较大的力矩，而该型号电机正好可以满足大转
矩。

在水平方向的捕捉速度一般较快，且要有较快的反应速度，其次水平方向会有较大的角度转变，因此要有尽可能小的死区，所以我们选用了这款高价位的电机，其可以满足整体要求。

而对于竖直方向我们则只用了一个MG 995的电机，一方面相比于水平方向的要求竖直方向所要求的反应速度，力矩要求要小许多，且所需转动角较小，对死区要求也不太大，所以最终选定了较为便宜的舵机。

（3）.电源模块
起先我们考虑用两个电源分别为5v和35v的电压进行供电，这样就可以省去升压和降压模块，但是我们发现由于先后开关不一致导致电流过大容易烧坏保险丝和电磁阀。

于是我们就采用了电压值为24v的稳压电源，然后再通过升降压分别给两端供电，一方面减轻了重量一方面也使操控更加简单。

（4）.显示模块
采用了OLED液晶屏模块，该显示屏虽然一次显示的数值较少，但是我们只需要知道其旋转的角度及炮弹发射的仰角，因此该功能足够，而且该显示屏有着亮度高，显示清晰，低功耗，成本低的优点。

（5）.升降压模块
降压采用LM2596 DC-DC 3A可调降压模块，由于对降压的要求不大，而且其体积较小精度系数又在合理范围内所以选用该模块。

而升压采用了 DC-DC XL6009Z1可调升压模块，该模块具有体积小，操作方便等优点，但是由于元器件等问题其无法在长期通电状态下工作。

该升压模块的电路图如下：
图一升压模块电路图
（6）.方位检测模块（摄像机MAIX GO K210）
对于自动判断环形靶的方位,大致原理是：光线照射在前方场地上,我们是利
用摄像头采集图像信息后然后利用PID算法对于目标圆的像素进行搜索分析,使得舵机逐渐转动使其靠近目标靶的方位。

MAIX GO K210是一款Sipeed的摄像头器件，采用了内核为双核RISC-V 64bit IMAFD的内核芯片作为主控芯片，其分辨率为320*240。

其还自带一个2.8寸带电阻触屏的LCD。

其支持视觉和神经网络算法，可以有助于之后快速确定目标。

2.系统设计
根据上述方案论证，我们最终确定论文以STM单片机STM32F103ZE76为控制核心，采用24V的直流稳压电源对系统进行供电，再分别利用DC/DC
LM2596和DC/DC XL6009Z1模块进行降压给单片机供电和升压给电磁炮模块充电。

然后利用单片机一方面控制电磁炮发射的电容充放电使得电磁炮发射，另一方面通过键盘输入或者摄像头追踪则使得云台舵机转动调至正确方位，并使得发射的距离合理。

同时还选用了OLED显示屏来显示水平和垂直方向转过的角度。

3.结构框架
图二系统的主体模块
二．理论分析及其计算
发射的初速度是电磁炮设计的难点，所以我们在对物理设计上初步后，采
用黑箱方法，利用数据拟合进行判断准确的发射距离。

1.首先考虑电磁炮的电感所产生的力:
假设驱动线圈和弹丸中的电流都为I，则作用在弹丸线圈x方向上的加速为：
F=∇W e=d
dx [1
2
LI2]=1
2
dL
dx
I2=1
2
L′I2 (1)
式中W e使电感储存的能量；L是发射器的总电感；L′是电感梯度。

发射器总的电感可以表示为
L=[Lα+M]+[L s+M]=Lα+L s+2M (2)
式中Lα是弹丸的自感；L s是驱动线圈的通电部分的自感；M是驱动线圈通电部分与弹丸之间的互感。

从发射器的结构来看，Lα和L s是常量，若两线圈产生的磁场是相加的，则互感M为正；若磁场相减的，则互感M为负。

在x方向对（2）求导可得
dL dx =
d
dx
[Lα+L s]+
d
dx
[2M]=2
dM
dx
=2M′ (3)
式中M′是互感梯度。

将式（3）代入式（1）得
F=1
2
dL
dx
I2=M′I2
因而感应电流、线圈匝数和导弹大小最终影响炮弹的受力。

该处由于是由电容放电的，放电时间太短不便测量，而且同样的电容电流改变的单位时间相差不大，因此可以假设变化率是固定的。

可以忽略变化的快慢。

综合上述原因，我们应该提高线圈的单位长度匝数和通电的电压大小，来改变炮弹射出的距离。

其中，增大这两个值会使射出距离变远，我们应该尽可能调节，保证该距离在200~300m内。

2. 由于升压模块不可通过单片机控制改变提升的电压（由于时间有限没法设计一个可电控的升压模块），而匝数肯定在固定后就没办法改变了，因此不能通过这两个方法改变发射的不同距离。

但考虑到这是一个曲射炮弹，于是决定用俯仰角的改变来改变射出的距离。

可知该运动为一个斜抛运动则
由此可知最大高度为h:
h=(v0 sinθ)2
2g
+ℎ0 (1)
水平位移为x：
x=v02sin2θ−v02cosθ+v0cosθ√v02+2gℎ0
g
(2)
式中，v0是从炮口射出的初速度，θ是炮台与水平方向的倾角，g是重力加速度，ℎ0是炮台距地面的高度。

由上述式中我们可以大概推测出水平射程，再调整程序使得竖直方向的舵机转动改变倾角从而使得最后的改变。

3. 再利用黑箱进行实验，调整一定的倾角然后测量其射出的距离，多次选用不同值进行统计，然后进行拟合，得到相应的函数，在利用该函数得到不同距离相应的的改变角度。

再考虑靶在不同的角度方位进行改变。

（1）在偏角为0时获得该值：
图三发射距离和PWM占空比关系记录
图四发射距离和PWM占空比关系的函数图
由该函数可得到初射距离与占空比之间的关系，输入程序后，我们只需要在键盘上输入相应的距离则可主动转化为电机PWM信号的占空比。

由此可
以通过键盘来控制发射距离了。

三．电路设计与软件开发
1.电路设计
1.驱动电路，电磁炮发射电路设计
2.单片机电源部分电路
3.OLED显示屏电路设计
2.系统软件设计
软件流程图所示：
四．检测方法与数据
1.偏角为0时发射距离与输入距离的关系：
由测试结果可以知道，由于拟合时中间数据较少或者选择的函数准确性
较有一定偏差导致在两端的结果较为可靠而中间的则略有偏差。

偏差距
离一般保持在5cm以内，最大不超过10cm。

2.偏角不为0时发射距离与输入距离的关系：α=30°
可知射程的整体结果与在中性轴处偏差不大，而且发现炮弹改变的方向
偏差也为±1°左右，同样我们改变了几组偏角整体结果与该组结果差不多。

考虑到可能电机物理结构上略有瑕疵，稳定性导的致了角度的小偏
差。

五．结果分析
根据设计要求，在多样化的方法下最终我们最终选择了一个相对合适并能充分完成设计的方案。

该方案中，我们都采用了较为基础的器件，一方面可以保证的规定时间最大化的实现功能，另一方面可以大大降低制作成
本。

不足之处就在于精度水平较差导致发射偏差值较大。