模擬曲射電磁炮系統設計

河北農業大學機電工程學院 呂文興 李永浩 馬強 董世雄 李璟瑄 曹世龍

關鍵字：核心控制板；視覺追蹤；舵機；電磁力；電磁線圈

1 系統方案

1.1 技術路線

根據題目要求，基本需要串口觸摸屏，攝像頭以及舵機等外設，用串口觸摸屏輸入指令選擇系統需要執行的相關程序。驅動舵機控制電磁炮炮口指向在水平夾角及垂直仰角兩個維度。攝像頭用于捕捉紅色標識，攝像頭與水平維度舵機相連，當掃描到標識時，自動計算原點到標識的距離，用來精確發射彈丸，通過單片機控制攝像頭和舵機，使炮筒朝著能目標位置移動。安裝在云臺上的模擬曲射炮由電容，由電感線圈，可控硅以及功率電阻等電子元件組成，由STM32F103RCT6 單片機控制電容的充放電電路，用繼電器與可控硅將單片機小功率電路來控制充放電的大功率電路。其中充電電路由逆變器將12V 鋰電池升到高壓，并用限流二極管保護電路，其中電容放電，給電感線圈充電，讓炮筒內鐵質小球瞬間充磁，與圍繞在炮管外壁的電感線圈互相排斥，完成發射。

1.2 方案論證

單片機的選擇：采用STM32F103RCT6 單片機。其能夠利用定時器產生PWM信號輸出，用于控制舵機的轉動。同時有五個串口用于和串口屏以及攝像頭通信，工作速度快，符合題目所需的控制要求。

攝像頭的選擇：選擇pixy 攝像頭。可以簡單的通過按鍵設置需要跟蹤的物體。可同時記錄多達7 種不同顏色和100 多個目標。圖像通過USB 可以實時傳輸。圖像識別更為清晰。

舵機的選擇：選擇數字舵機。因為數字舵機在位置準確度方面要高于模擬舵機。

2 理論分析與計算

電容充放電時，充滿電和放完電的時間與電容和電阻乘積的大小有關，乘積越大，充放電時間越長。本文中充電采用200歐3W 電阻和一個1000 微法450V 的電容，從接通開關到充滿電時間t 不到5 秒；放電電路是電容不通過電阻直接向線圈放電，計算約0.2s，放電非常迅速，因此產生磁通的時間很短，對彈丸的加速時間也很短。線圈采用0.5mm 的漆包線，匝數為1000匝，保證電路中的電流為3A。磁力大小與電流有關，根據歐姆定律，電阻一定時電壓與電流成正比。同樣的電流匝數越多磁力越大，所以磁力大小與電流大小有關，與導線的匝數有關。

3 電磁炮程序設計

通過串口觸摸屏設置四個虛擬按鍵，每個按鍵代表一種模式。模式一：輸入發射距離，啟動發射炮；模式二：輸入發射距離和水平偏移角度，啟動發射炮；模式三：炮臺轉動自動尋找紅色標識靶，當找到后啟動發射炮；模式四：炮臺往復運動，中途不得停頓，當尋找到目標后發射。當按下相應的模式模擬按鍵時，執行相應的動作。

4 測試方法

算數平均濾波：由于隨機干擾（電磁干擾）隨著數據樣本的增加其統計平均值趨于零，故對被檢測物理量進行連續多次采樣，然后求其算數平均值作為有效采樣值，就可以達到抑制隨機平均濾波算法。連續采樣次數越多，抑制隨機干擾的效果越好。其中穿插冒泡排序法，用來去掉最大、最小值，讓數據更加平穩。

5 結論

單片機通過輸出PWM占空比來調節最上邊舵機的仰角，在一定范圍內，PWM值越小，仰角越大。不同PWM通過相同的電路與充電時間工作，并測出原點到炮彈打出的距離。電磁曲射炮發射距離的遠近與充電時間、線圈匝數以及漆包線粗細，炮筒角度，輸入電壓均有關系。充電時間越長，發射出速度越大。漆包線越粗電阻越小，線圈匝數越少內阻越小，線圈匝數越多，電磁曲射炮擁有的磁能量越大，電磁曲射炮的發射動力越足。且線圈的纏繞越緊，炮管內產生的磁能越密集。同時發射的距離與炮筒的仰角也有關系，理論上45 度為最遠距離，實測60 度最佳。