模拟曲射电磁炮系统设计

河北农业大学机电工程学院 吕文兴 李永浩 马强 董世雄 李璟瑄 曹世龙

关键字：核心控制板；视觉追踪；舵机；电磁力；电磁线圈

1 系统方案

1.1 技术路线

根据题目要求，基本需要串口触摸屏，摄像头以及舵机等外设，用串口触摸屏输入指令选择系统需要执行的相关程序。驱动舵机控制电磁炮炮口指向在水平夹角及垂直仰角两个维度。摄像头用于捕捉红色标识，摄像头与水平维度舵机相连，当扫描到标识时，自动计算原点到标识的距离，用来精确发射弹丸，通过单片机控制摄像头和舵机，使炮筒朝着能目标位置移动。安装在云台上的模拟曲射炮由电容，由电感线圈，可控硅以及功率电阻等电子元件组成，由STM32F103RCT6 单片机控制电容的充放电电路，用继电器与可控硅将单片机小功率电路来控制充放电的大功率电路。其中充电电路由逆变器将12V 锂电池升到高压，并用限流二极管保护电路，其中电容放电，给电感线圈充电，让炮筒内铁质小球瞬间充磁，与围绕在炮管外壁的电感线圈互相排斥，完成发射。

1.2 方案论证

单片机的选择：采用STM32F103RCT6 单片机。其能够利用定时器产生PWM信号输出，用于控制舵机的转动。同时有五个串口用于和串口屏以及摄像头通信，工作速度快，符合题目所需的控制要求。

摄像头的选择：选择pixy 摄像头。可以简单的通过按键设置需要跟踪的物体。可同时记录多达7 种不同颜色和100 多个目标。图像通过USB 可以实时传输。图像识别更为清晰。

舵机的选择：选择数字舵机。因为数字舵机在位置准确度方面要高于模拟舵机。

2 理论分析与计算

电容充放电时，充满电和放完电的时间与电容和电阻乘积的大小有关，乘积越大，充放电时间越长。本文中充电采用200欧3W 电阻和一个1000 微法450V 的电容，从接通开关到充满电时间t 不到5 秒；放电电路是电容不通过电阻直接向线圈放电，计算约0.2s，放电非常迅速，因此产生磁通的时间很短，对弹丸的加速时间也很短。线圈采用0.5mm 的漆包线，匝数为1000匝，保证电路中的电流为3A。磁力大小与电流有关，根据欧姆定律，电阻一定时电压与电流成正比。同样的电流匝数越多磁力越大，所以磁力大小与电流大小有关，与导线的匝数有关。

3 电磁炮程序设计

通过串口触摸屏设置四个虚拟按键，每个按键代表一种模式。模式一：输入发射距离，启动发射炮；模式二：输入发射距离和水平偏移角度，启动发射炮；模式三：炮台转动自动寻找红色标识靶，当找到后启动发射炮；模式四：炮台往复运动，中途不得停顿，当寻找到目标后发射。当按下相应的模式模拟按键时，执行相应的动作。

4 测试方法

算数平均滤波：由于随机干扰（电磁干扰）随着数据样本的增加其统计平均值趋于零，故对被检测物理量进行连续多次采样，然后求其算数平均值作为有效采样值，就可以达到抑制随机平均滤波算法。连续采样次数越多，抑制随机干扰的效果越好。其中穿插冒泡排序法，用来去掉最大、最小值，让数据更加平稳。

5 结论

单片机通过输出PWM占空比来调节最上边舵机的仰角，在一定范围内，PWM值越小，仰角越大。不同PWM通过相同的电路与充电时间工作，并测出原点到炮弹打出的距离。电磁曲射炮发射距离的远近与充电时间、线圈匝数以及漆包线粗细，炮筒角度，输入电压均有关系。充电时间越长，发射出速度越大。漆包线越粗电阻越小，线圈匝数越少内阻越小，线圈匝数越多，电磁曲射炮拥有的磁能量越大，电磁曲射炮的发射动力越足。且线圈的缠绕越紧，炮管内产生的磁能越密集。同时发射的距离与炮筒的仰角也有关系，理论上45 度为最远距离，实测60 度最佳。