孫弋婷，金樂偉

（1.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018；2.杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Open mv、云臺(tái)、角度傳感器TF MINI構(gòu)成閉環(huán)回路系統(tǒng)。其中Open mv、TF MINI獲得的位置信息反饋到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)位置信息控制云臺(tái)轉(zhuǎn)向。角度傳感器用以采集云臺(tái)上炮筒的傾斜度信息，單片機(jī)根據(jù)傾斜度信息控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)向。達(dá)到目標(biāo)之后，通過單片機(jī)控制電容對線圈的充放電實(shí)現(xiàn)炮彈是否發(fā)射。

總體結(jié)構(gòu)分為3個(gè)部分:輸入輸出的顯示板、主控板、電磁炮板。其他模塊通過接口與主控板相連。各個(gè)模塊協(xié)調(diào)，共同完成電磁炮的任務(wù)。

2 理論分析與計(jì)算

■2.1 電磁炮參數(shù)計(jì)算

電磁炮部分主要由固定線圈繞成的炮身、彈珠、儲(chǔ)能電容與繼電器開關(guān)組成。當(dāng)炮身接通電源時(shí)，所產(chǎn)生的的磁場與可動(dòng)線圈上的感應(yīng)電流互相作用，產(chǎn)生洛倫茲力，使彈珠被加速射出。彈珠所受到的力可表示為：

其中F為洛倫茲力(N）、IF為固定線圈中的電流強(qiáng)度(A)、IP為彈丸產(chǎn)生的電流強(qiáng)度(A)、M為炮管與炮彈之間的互感(H)、dM/dx為互感梯度(H/M)。固定線圈中的電流強(qiáng)度越大，彈丸所受的電磁力越大。

■2.2 彈道分析

炮管長度為9.5cm，彈珠的重量50g。推得彈珠離開炮管的初速度：

忽略空氣阻力時(shí)，彈丸的彈道曲線近似為：

■2.3 能量計(jì)算

當(dāng)電容與電源接通時(shí)，相當(dāng)于電源給電容充電，電容儲(chǔ)存的容量為：

C=4700μF，U=60V,得儲(chǔ)存的能量為8.46J。

■2.4 路徑擬合公式

整個(gè)系統(tǒng)的裝置通過控制上下角度的舵機(jī)的打角來控制距離的遠(yuǎn)近，根據(jù)實(shí)際測量的距離與舵機(jī)角度的值，測試點(diǎn)從3m開始，5cm為間隔，測試直至2m結(jié)束，記錄數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)制圖擬合。得出路徑公式：

圖3 路徑擬合圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■3.1 攝像頭模塊

攝像頭模塊如圖4所示，采用OpenMV4 Cam H7攝像頭，最高支持120FPS 320×240圖像采集，是一個(gè)低功耗小型智能攝像頭模塊。

圖4

■3.2 舵機(jī)模塊

本模塊采用數(shù)字舵機(jī)D3015，打角范圍約在300°，通過調(diào)控占空比改變舵機(jī)角度，更為精準(zhǔn)，同時(shí)相比步進(jìn)電機(jī)而言，更為穩(wěn)定，對整體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更為有保障，能夠滿足轉(zhuǎn)向與平衡要求。

圖5

■3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于采用50V及以上的高電壓，使用繼電器，能夠滿足儲(chǔ)能電容的充放電，但由于線圈在充放電中較高的瞬時(shí)電流，以及較高的電壓環(huán)境，因此采用如圖6所示的MOS搭建的半H橋控制繼電器，其工作原理是使MOS管工作在開關(guān)狀態(tài)，由兩片IRLR7843構(gòu)成的橋式電路。當(dāng)PWM1和PWM2分別為高、低電平時(shí)，控制其導(dǎo)通與截止，從而實(shí)現(xiàn)對繼電器不同導(dǎo)通選擇。

圖6 半H橋控制繼電器圖

■3.4 其他外圍電路設(shè)計(jì)

外圍電路設(shè)計(jì)如圖7所示，包括OLED 顯示電路、UART 串口電路、單片機(jī)時(shí)鐘與復(fù)位電路、J–link下載電路和按鍵調(diào)試電路。

圖7 其他模塊電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

■4.1 電磁炮程序及核心模塊設(shè)計(jì)

電磁炮的工作流程如圖8所示，在繼電器充電結(jié)束后，通過OLED上的菜單選擇不同的標(biāo)題后，打開不同的子菜單。在各不同界面輸入設(shè)定值，可根據(jù)設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。電磁炮的核心模塊原理如圖9所示：利用MOS管驅(qū)動(dòng)控制繼電器，使繼電器線圈吸合，電容中的電瞬時(shí)放給線圈，產(chǎn)生的磁場與可動(dòng)線圈上的感應(yīng)電流互相作用，產(chǎn)生洛倫茲力，使彈珠被加速射出。

圖8 電磁炮程序流圖

圖9 電磁炮核心模塊

■4.2 控制算法PID

PID控制[3]是一種十分經(jīng)典的控制規(guī)律。它是由三個(gè)基本單元比例P、積分I和微分D構(gòu)成的。因?yàn)閱纹瑱C(jī)控制不是連續(xù)控制，所以采用離散PID形式。 將時(shí)間、積分、微分的公式代入模擬PID的計(jì)算式中，可以得到離散PID的計(jì)算式，其中模擬PID的計(jì)算式如式所示，離散PID的計(jì)算式如式(1)所示。

上式即為常見的位置式PID，然而在常見的直流電機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)中，通常都使用增量式PID，易知控制器在第k–1時(shí)刻的輸出值如式（3）所示。

將兩個(gè)式子進(jìn)行相減就能夠得到增量式PID的算術(shù)表達(dá)式，如式（4）所示。

將偏差的比例（Kp）、積分（Ki） 和微分（Kd）通線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制，Kp、Ki和Kd3個(gè)參數(shù)的選取直接影響了控制效果在經(jīng)典 PID 控制中，給定值與測量值進(jìn)行比較，得出偏差，并依據(jù)偏差情況，給出控制作用u(t)。炮臺(tái)位置的移動(dòng)過程中，我們已經(jīng)用陀螺儀檢測出目前的角度。以及我們期望達(dá)到的目標(biāo)，將偏差帶入公式可以計(jì)算出我們需要給舵機(jī)的值，從而控制炮臺(tái)。

5 測試結(jié)果

■5.1 測試方法

本系統(tǒng)測試采用多數(shù)據(jù)收集與數(shù)據(jù)擬合圖像方法進(jìn)行測試：（1）調(diào)整炮管角度為45°，測量整機(jī)實(shí)際最大發(fā)射距離，記錄數(shù)據(jù)。（2）從規(guī)則要求的3m處開始測試，調(diào)整相對應(yīng)的炮管角度，測試直至彈丸落點(diǎn)位于十環(huán)處，記錄此時(shí)的輸入占空比。（3）以3m為記錄起點(diǎn)，以5cm為記錄精度，通過多次發(fā)射10mm光滑鋼珠，直至大部分測試落至十環(huán)處，記錄此時(shí)的輸入占空比。測試直至2m處結(jié)束，記錄各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

■5.2 測試結(jié)果

基本測試結(jié)果如圖10所示，測試點(diǎn)從3m開始，5cm為間隔，測試直至2m結(jié)束，記錄數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)制圖擬合。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

?

靶心與定標(biāo)點(diǎn)距離的改變與中心軸線的偏移角度的改變（見表1）。

表1

在指定范圍內(nèi)任意放置環(huán)形靶，測量角度與距離（見表2）。

表2

?

6 結(jié)語

此電磁曲射炮機(jī)械裝置，由水平方向與垂直方向兩個(gè)方向的舵機(jī)構(gòu)成一個(gè)云臺(tái)。水平方向上的舵機(jī)上裝攝像頭,轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可掃描場地環(huán)境。垂直方向上裝上炮管，調(diào)整角度即可通知發(fā)炮的遠(yuǎn)近。在硬件電路上，用恒壓源給儲(chǔ)能電容充電，充好電后，用高點(diǎn)電平控制繼電器的吸合與斷開，從而導(dǎo)致電容充好電之后給線圈瞬時(shí)放電，使彈珠獲得磁場力彈出。在軟件架構(gòu)上，通過不斷的測試得出結(jié)論擬合出規(guī)律曲線，可以通過距離與舵機(jī)角度的關(guān)系控制，同時(shí)，使用openmv對周圍場地圖像識(shí)別，尋找紅色色塊，找到目標(biāo)通過高低電平控制炮彈的發(fā)射。