陳顏皓

摘 要：基于2019年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中H題“模擬電磁曲射炮”的任務(wù)要求，設(shè)計(jì)了模擬電磁炮自動(dòng)控制系統(tǒng).系統(tǒng)以TI公司的TM4系列單片機(jī)作為電磁炮的控制核心，采用LDX-218數(shù)字舵機(jī)驅(qū)動(dòng)云臺(tái).可實(shí)現(xiàn)通過(guò)串口屏輸入射擊距離和偏轉(zhuǎn)角;通過(guò)激光測(cè)距結(jié)合OpenMV攝像頭的圖像處理捕獲引導(dǎo)標(biāo)識(shí)從而對(duì)電磁炮進(jìn)行智能控制.3個(gè)基本要求測(cè)試任務(wù)全部完成，3個(gè)發(fā)揮部分測(cè)試任務(wù)部分完成，作品獲得該次競(jìng)賽江蘇省二等獎(jiǎng).

關(guān)鍵詞：電磁炮舵機(jī)云臺(tái);TM4;OpenMV攝像頭

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27;O441 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1673-260X（2019）12-0045-04

0 引言

全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽（National Undergraduate Electronics Design Contest）（以下簡(jiǎn)稱電賽），是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競(jìng)賽之一，是面向大學(xué)生的群眾性科技活動(dòng)，目的在于推動(dòng)高等學(xué)校促進(jìn)信息與電子類(lèi)學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革[1].競(jìng)賽的特點(diǎn)是與高等學(xué)校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結(jié)合，以推動(dòng)其課程教學(xué)、教學(xué)改革和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)工作.2019年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，H題的任務(wù)是自行設(shè)計(jì)并制作一個(gè)模擬電磁曲射炮（以下簡(jiǎn)稱電磁炮），炮管應(yīng)采用線圈炮，水平方位及垂直仰角方向可調(diào)節(jié)，用電磁力將彈丸射出，擊中目標(biāo)環(huán)形靶和引導(dǎo)標(biāo)識(shí)（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)靶），發(fā)射周期不得超過(guò)30秒.電磁炮由直流穩(wěn)壓電源供電，電磁炮系統(tǒng)內(nèi)允許使用容性儲(chǔ)能元件.基礎(chǔ)要求是電磁炮能做到通過(guò)輸入設(shè)備設(shè)定目標(biāo)的距離和或距離和水平偏轉(zhuǎn)角，并發(fā)射炮彈.發(fā)揮部分是：（1）一鍵啟動(dòng)，電磁炮能在30s內(nèi)找到偏離中心-30°至30°的紅色標(biāo)靶，測(cè)定距離并發(fā)射炮彈;（2）一鍵啟動(dòng)，電磁炮能在10s內(nèi)找到偏離中心-30°至30°，距離250cm的紅色標(biāo)靶，并在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)射炮彈.以完成任務(wù)的情況和擊中環(huán)形靶的環(huán)數(shù)得分.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)總體上分為兩部分：通過(guò)電磁繼電器控制的電磁炮充能和發(fā)射電路系統(tǒng)和單片機(jī)的云臺(tái)控制系統(tǒng)，在提高部分結(jié)合攝像頭圖像處理和激光測(cè)距模塊.

電磁炮充能系統(tǒng)控制由直流升壓模塊和大容量電容組成，用繼電器和可控硅實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電路的控制.

云臺(tái)控制系統(tǒng)由單片機(jī)控制兩個(gè)舵機(jī)，圖像處理對(duì)攝像頭返回的圖像做二值化操作并且捕獲紅色標(biāo)靶的中心坐標(biāo)，待云臺(tái)旋轉(zhuǎn)至正對(duì)靶心時(shí)，激光模塊測(cè)定標(biāo)靶的距離并轉(zhuǎn)換為靶心的距離.通過(guò)大量計(jì)算和測(cè)量擬合出充電時(shí)間、發(fā)射角和落點(diǎn)的關(guān)系，并依據(jù)擬合的函數(shù)確定充電時(shí)間和發(fā)射角.

2 系統(tǒng)硬件選擇與電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理器單元

采用TI公司的TM4系列單片機(jī)，32位ARMRCortexTM-M4 80 MHz處理器內(nèi)核，帶有系統(tǒng)定時(shí)器，集成嵌套向量中斷控制器，帶時(shí)鐘門(mén)控的喚醒中斷控制器，存儲(chǔ)器保護(hù)單元，IEEE754兼容的單精度浮點(diǎn)單元，嵌入式跟蹤宏和跟蹤端口，系統(tǒng)控制塊和Thumb-2指令集.

2.2 測(cè)距距離單元

采用tof激光傳感器[2].tof激光模塊可以實(shí)現(xiàn)3-60米誤差0.1cm的測(cè)量范圍和精度效果遠(yuǎn)超一般激光模塊以及超聲波模塊.并且處理方式也比較簡(jiǎn)單，讀取信息時(shí)直接返回距離而非AD值，缺點(diǎn)是成本較高.

2.3 圖像處理單元

采用OpenMV攝像頭.OpenMV通過(guò)mircopython編程，封裝極其完善，具有完整的圖像處理庫(kù)和單片機(jī)驅(qū)動(dòng)庫(kù).OpenMV的二值化處理的閾值是從LAB顏色空間確定的[3]，對(duì)環(huán)境光干擾的抗性較差，但是其配件能夠減小這種影響.并且在加裝長(zhǎng)焦鏡頭后，靶標(biāo)在OpenMV畫(huà)面中所占的畫(huà)幅明顯大于常見(jiàn)的樹(shù)莓派攝像頭.

2.4 顯示及輸入單元

采用3.5寸HMI串口屏.HMI串口屏具有完善的圖形化上位機(jī)，并且搭載stm32微處理器，可以進(jìn)行一定程度的開(kāi)發(fā)，比如邏輯處理、定時(shí)器等.3.5寸觸摸電容屏，既可以顯示系統(tǒng)當(dāng)前參數(shù)，又可以完美代替矩陣鍵盤(pán)的輸入功能.

2.5 整體電路的設(shè)計(jì)

電路以TM4單片機(jī)為核心，從串口屏、激光測(cè)距模塊、OpenMV獲取信息，控制舵機(jī)云臺(tái)瞄準(zhǔn)和發(fā)射電磁炮.

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)題目要求軟件部分主要實(shí)現(xiàn)串口屏的和OpenMV設(shè)置和顯示.

串口屏實(shí)現(xiàn)功能：選擇當(dāng)前得題目;在基礎(chǔ)要求中，距離值d和旋轉(zhuǎn)角α;在發(fā)揮部分第三題，通過(guò)按鈕選擇指定數(shù)字.

OpenMV實(shí)現(xiàn)功能：在發(fā)揮部分第一題識(shí)別紅色標(biāo)靶得靶心，返回云臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向，并在靶心處于畫(huà)面中央時(shí)返回開(kāi)火信息;在發(fā)揮部分第二題，計(jì)算提前量并返回開(kāi)火信息.

4 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

Satapathy和McNab等根據(jù)8MJ電磁發(fā)射彈丸的實(shí)際外形尺寸建立了相應(yīng)的計(jì)算流體力學(xué) （Computational Fluid Dynamics， CFD）模型[4]，并利用此模型解算獲取不同馬赫數(shù)條件下的氣動(dòng)參數(shù).

4.1 電磁炮電力電子系統(tǒng)的理論分析與計(jì)算

超級(jí)電容與電池儲(chǔ)能的明顯區(qū)別在于充、放電過(guò)程中發(fā)生的顯著端電壓變化[5].RC充電電路的時(shí)間常數(shù)τ=RC，充電時(shí)：

4.2 炮彈發(fā)射與彈道理論分析與計(jì)算

任何自由剛體的運(yùn)動(dòng)，都可以看作是剛體的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)和圍繞質(zhì)心兩種運(yùn)動(dòng)的合成[6].已知電容C=680？滋F，炮彈直徑r=10mm，炮彈為鐵質(zhì)，炮口離地高度為h=15cm.

4.3 基于實(shí)際測(cè)試結(jié)果的曲線擬合

曲線擬合又稱作函數(shù)逼近，是求近似函數(shù)的一類(lèi)數(shù)值方法[7].通過(guò)基于實(shí)際測(cè)試結(jié)果擬合的曲線，我們可以得到更切合實(shí)際的彈道參數(shù)，從而增加電磁炮發(fā)射的精準(zhǔn)度.實(shí)際測(cè)試充滿電的情況下，發(fā)射角和落地距離的測(cè)試結(jié)果（數(shù)據(jù)）.

由理論計(jì)算，可以得知在發(fā)射角處于5°-17°時(shí)，整體曲線趨向于二次函數(shù)[8].故使用MATLAB擬合的圖像如圖7.

函數(shù)表達(dá)式為：y=0.0043*x2-0.0064*x+1.9

4 實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 測(cè)試條件與儀器

測(cè)試時(shí)間：8月9日21：00;

測(cè)試地點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)室;

測(cè)試地點(diǎn)環(huán)境溫濕度：溫度30℃，濕度51%;

測(cè)試地點(diǎn)環(huán)境風(fēng)向：無(wú).

4.2 測(cè)試方案

測(cè)試每道題的落點(diǎn)環(huán)數(shù).

基礎(chǔ)部分第一題測(cè)試5次，指定距離分別為250cm，240cm，280cm，270cm，250cm，結(jié)果分別為8環(huán)，9環(huán)，9環(huán)，10環(huán)，9環(huán);

基礎(chǔ)部分第二題測(cè)試5次，指定距離、角度分別為220cm、15°，250cm、13°，280cm、25°，270cm、-20°，260cm、-15°，結(jié)果分別為7環(huán)，9環(huán)，9環(huán)，8環(huán)，9環(huán);

發(fā)揮部分第一題，隨意擺放五個(gè)不同位置，結(jié)果分別為8環(huán)，6環(huán)，7環(huán)，8環(huán)，8環(huán);

發(fā)揮部分第二題，隨意擺放五個(gè)不同位置，結(jié)果分別為6環(huán)，7環(huán)，7環(huán)，8環(huán)，8環(huán);

4.3 實(shí)際比賽情況

實(shí)際比賽中，電磁炮系統(tǒng)完成了基本要求部分的全部任務(wù)，分別為9環(huán)和4環(huán);部分完成了發(fā)揮部分要求，獲得7環(huán)和4環(huán).最終獲得江蘇賽區(qū)二等獎(jiǎng)，驗(yàn)證了電磁炮自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性.但是，由于在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到環(huán)形靶的厚度，在面對(duì)實(shí)際測(cè)試場(chǎng)地的帶有一定厚度的環(huán)形靶時(shí)，出現(xiàn)了精度大幅下降的情況，嚴(yán)重影響了實(shí)際測(cè)評(píng)的結(jié)果，需要進(jìn)一步優(yōu)化.

5 結(jié)論與討論

該設(shè)計(jì)采用TM4C123作為主控芯片的微處理器，設(shè)計(jì)并制作了模擬電磁曲射炮自動(dòng)控制系統(tǒng)，完成了個(gè)單元的硬件電路選型以及軟件的設(shè)計(jì).較好地實(shí)現(xiàn)了圖像處理、距離測(cè)量、自動(dòng)擊發(fā)等要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目的.

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