一種新型模擬電磁曲射炮的設(shè)計

鄧盼 羅明華 鮑江 朱鴻

摘 要：模擬電磁曲射炮系統(tǒng)主要包括單片機(jī)控制模塊，攝像頭模塊，線圈模塊，云臺模塊。其中控制模塊采用STM32為核心控制芯片，攝像頭模塊采用OPENMV4 H7，線圈模塊采用自制200匝線圈，云臺模塊采用2個自由度的普通云臺。線圈作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電容作為驅(qū)動，用28v電壓為電容充電，繼電器控制電容充放電，攝像頭模塊固定在云臺模塊，單片機(jī)控制云臺模塊的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)攝像頭模塊對目標(biāo)的尋找與定位，再由線圈模塊發(fā)射“炮彈”命中目標(biāo)。OLED顯示目標(biāo)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和操作界面。

關(guān)鍵詞：電磁炮;OPENMV4 H7;OLED顯示屏

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 技術(shù)路線

電磁線圈炮是通過對線圈施加高壓脈沖，線圈周圍形成強(qiáng)大的磁場、并與電樞感應(yīng)（或外部輸入）電流的磁場相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力推動電樞運(yùn)動。我們使用電容儲能，繼電器控制線圈的通斷。單片機(jī)控制云臺旋轉(zhuǎn)，攝像頭采集圖像信息并處理，通過串口傳輸給單片機(jī)。再由單片機(jī)控制繼電器。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由控制模塊，線圈模塊，儲能模塊構(gòu)成。

1.3 主控芯片的論證與選擇

方案一：選擇ATs89C52單片機(jī)作為核心控制芯片，該單片機(jī)體積小操作簡單，價格便宜。因為89C52單片機(jī)內(nèi)部沒有集成的函數(shù)庫，且控制芯片外設(shè)模塊較多，實際軟件編寫時復(fù)雜麻煩。

方案二：選擇stm32單片機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)的控制。STM32系列芯片時鐘頻率高達(dá)168MHz具有512K字節(jié)SRAM，具有極強(qiáng)的處理計算能力。較為適合需要大量數(shù)據(jù)處理的電磁炮系統(tǒng)。

通過比較，我們選擇方案二，采用STM32單片機(jī)作為控制器。

1.4 攝像頭的論證與選擇

方案一：選擇ov7670圖像傳感器。體積小，工作電壓低，基本與ov7725相同。但是視場范圍只有23°，需要把攝像頭抬高才能達(dá)到題目要求，這樣影響模型的穩(wěn)定。并且ov7670不能進(jìn)行硬件二值化處理攝像頭采集的圖像。

方案二：OpenMV4是一個開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊。以STM32為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語言高效地實現(xiàn)了核心機(jī)器視覺算法。OpenMV4專用的IDE，它有自動提示，代碼高亮，而且有一個圖像窗口可以直接看到攝像頭的圖像，有終端可以debug，還有一個包含圖像信息的直方圖。可以滿足本系統(tǒng)所需。

通過比較，我們選擇方案二，采用OPENMV系列攝像頭。

2 理論分析與計算

2.1 電磁炮參數(shù)計算

驅(qū)動線圈長厚比：d=a/（r2-r1）=2;

電容量：500uF;

電容耐壓：50v;

驅(qū)動線圈匝數(shù)：200匝;

2.2 彈道分析

電磁炮彈道為拋物線，在可以忽略空氣阻力的情況下，仰角45°為最大射程。

2.3 能量計算

根據(jù)L=μ0（N2/l）S

Wm=1/2（Li2）

得到本系統(tǒng)線圈的總能量：196j

3 電路與程序設(shè)計

3.1 電路設(shè)計

電路設(shè)計由STM32最小系統(tǒng)擴(kuò)展電路如圖1所示，繼電器控制電路，線圈，電容電路。

3.2 程序設(shè)計

程序流程圖如圖2所示。

4 測試結(jié)果

4.1 測試方案

每次設(shè)置仰角的大小，然后測量這個仰角能發(fā)射炮彈的及距離。

4.2 測試結(jié)果及分析

仰角設(shè)置 距離

6.6° 200cm

6.7° 196cm

7° 204cm

7.1° 210cm

7.2° 204cm

7.4° 205cm

7.6° 207cm

7.9° 214cm

8.2° 217cm

8.4° 223cm

11° 247cm

11.5° 247cm

12° 260cm

13° 261cm

16° 295cm

14° 277.5cm

14.5° 270cm

上述數(shù)據(jù)為部分?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)用最小二乘法擬合直線，以得出以下結(jié)論：差范圍能控制在5cm范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

一種新型模擬電磁曲射炮的設(shè)計，將之前所學(xué)的知識進(jìn)行融合，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)定的目標(biāo)要求，精度比較高，這就要求我們在牢固掌握基本理論知識的同時，更需要靈活的運(yùn)用。

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