基于MK66单片机的模拟电磁曲射炮

孙弋婷，金乐伟

（1.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州，310018；2.杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州，310018）

1 系统总体设计

本系统采用Open mv、云台、角度传感器TF MINI构成闭环回路系统。其中Open mv、TF MINI获得的位置信息反馈到单片机，单片机根据位置信息控制云台转向。角度传感器用以采集云台上炮筒的倾斜度信息，单片机根据倾斜度信息控制云台的转向。达到目标之后，通过单片机控制电容对线圈的充放电实现炮弹是否发射。

总体结构分为3个部分:输入输出的显示板、主控板、电磁炮板。其他模块通过接口与主控板相连。各个模块协调，共同完成电磁炮的任务。

2 理论分析与计算

■2.1 电磁炮参数计算

电磁炮部分主要由固定线圈绕成的炮身、弹珠、储能电容与继电器开关组成。当炮身接通电源时，所产生的的磁场与可动线圈上的感应电流互相作用，产生洛伦兹力，使弹珠被加速射出。弹珠所受到的力可表示为：

其中F为洛伦兹力(N）、IF为固定线圈中的电流强度(A)、IP为弹丸产生的电流强度(A)、M为炮管与炮弹之间的互感(H)、dM/dx为互感梯度(H/M)。固定线圈中的电流强度越大，弹丸所受的电磁力越大。

■2.2 弹道分析

炮管长度为9.5cm，弹珠的重量50g。推得弹珠离开炮管的初速度：

忽略空气阻力时，弹丸的弹道曲线近似为：

■2.3 能量计算

当电容与电源接通时，相当于电源给电容充电，电容储存的容量为：

C=4700μF，U=60V,得储存的能量为8.46J。

■2.4 路径拟合公式

整个系统的装置通过控制上下角度的舵机的打角来控制距离的远近，根据实际测量的距离与舵机角度的值，测试点从3m开始，5cm为间隔，测试直至2m结束，记录数据并将数据制图拟合。得出路径公式：

图3 路径拟合图

3 硬件系统设计

■3.1 摄像头模块

摄像头模块如图4所示，采用OpenMV4 Cam H7摄像头，最高支持120FPS 320×240图像采集，是一个低功耗小型智能摄像头模块。

图4

■3.2 舵机模块

本模块采用数字舵机D3015，打角范围约在300°，通过调控占空比改变舵机角度，更为精准，同时相比步进电机而言，更为稳定，对整体的结构稳定性更为有保障，能够满足转向与平衡要求。

图5

■3.3 电机驱动模块

本系统设计中由于采用50V及以上的高电压，使用继电器，能够满足储能电容的充放电，但由于线圈在充放电中较高的瞬时电流，以及较高的电压环境，因此采用如图6所示的MOS搭建的半H桥控制继电器，其工作原理是使MOS管工作在开关状态，由两片IRLR7843构成的桥式电路。当PWM1和PWM2分别为高、低电平时，控制其导通与截止，从而实现对继电器不同导通选择。

图6 半H桥控制继电器图

■3.4 其他外围电路设计

外围电路设计如图7所示，包括OLED 显示电路、UART 串口电路、单片机时钟与复位电路、J–link下载电路和按键调试电路。

图7 其他模块电路

4 系统软件设计

■4.1 电磁炮程序及核心模块设计

电磁炮的工作流程如图8所示，在继电器充电结束后，通过OLED上的菜单选择不同的标题后，打开不同的子菜单。在各不同界面输入设定值，可根据设定值进行调节。电磁炮的核心模块原理如图9所示：利用MOS管驱动控制继电器，使继电器线圈吸合，电容中的电瞬时放给线圈，产生的磁场与可动线圈上的感应电流互相作用，产生洛伦兹力，使弹珠被加速射出。

图8 电磁炮程序流图

图9 电磁炮核心模块

■4.2 控制算法PID

PID控制[3]是一种十分经典的控制规律。它是由三个基本单元比例P、积分I和微分D构成的。因为单片机控制不是连续控制，所以采用离散PID形式。 将时间、积分、微分的公式代入模拟PID的计算式中，可以得到离散PID的计算式，其中模拟PID的计算式如式所示，离散PID的计算式如式(1)所示。

上式即为常见的位置式PID，然而在常见的直流电机自适应控制系统中，通常都使用增量式PID，易知控制器在第k–1时刻的输出值如式（3）所示。

将两个式子进行相减就能够得到增量式PID的算术表达式，如式（4）所示。

将偏差的比例（Kp）、积分（Ki） 和微分（Kd）通线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，Kp、Ki和Kd3个参数的选取直接影响了控制效果在经典 PID 控制中，给定值与测量值进行比较，得出偏差，并依据偏差情况，给出控制作用u(t)。炮台位置的移动过程中，我们已经用陀螺仪检测出目前的角度。以及我们期望达到的目标，将偏差带入公式可以计算出我们需要给舵机的值，从而控制炮台。

5 测试结果

■5.1 测试方法

本系统测试采用多数据收集与数据拟合图像方法进行测试：（1）调整炮管角度为45°，测量整机实际最大发射距离，记录数据。（2）从规则要求的3m处开始测试，调整相对应的炮管角度，测试直至弹丸落点位于十环处，记录此时的输入占空比。（3）以3m为记录起点，以5cm为记录精度，通过多次发射10mm光滑钢珠，直至大部分测试落至十环处，记录此时的输入占空比。测试直至2m处结束，记录各项数据。

■5.2 测试结果

基本测试结果如图10所示，测试点从3m开始，5cm为间隔，测试直至2m结束，记录数据并将数据制图拟合。

图1 系统结构图

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靶心与定标点距离的改变与中心轴线的偏移角度的改变（见表1）。

表1

在指定范围内任意放置环形靶，测量角度与距离（见表2）。

表2

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6 结语

此电磁曲射炮机械装置，由水平方向与垂直方向两个方向的舵机构成一个云台。水平方向上的舵机上装摄像头,转动时可扫描场地环境。垂直方向上装上炮管，调整角度即可通知发炮的远近。在硬件电路上，用恒压源给储能电容充电，充好电后，用高点电平控制继电器的吸合与断开，从而导致电容充好电之后给线圈瞬时放电，使弹珠获得磁场力弹出。在软件架构上，通过不断的测试得出结论拟合出规律曲线，可以通过距离与舵机角度的关系控制，同时，使用openmv对周围场地图像识别，寻找红色色块，找到目标通过高低电平控制炮弹的发射。