一種新型模擬電磁曲射炮的設計

鄧盼 羅明華 鮑江 朱鴻

摘 要：模擬電磁曲射炮系統主要包括單片機控制模塊，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。線圈作為系統的執行機構，電容作為驅動，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，單片機控制云臺模塊的轉動實現攝像頭模塊對目標的尋找與定位，再由線圈模塊發射“炮彈”命中目標。OLED顯示目標的關鍵數據和操作界面。

關鍵詞：電磁炮;OPENMV4 H7;OLED顯示屏

1 系統方案設計

1.1 技術路線

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

1.2 系統結構

系統結構由控制模塊，線圈模塊，儲能模塊構成。

1.3 主控芯片的論證與選擇

方案一：選擇ATs89C52單片機作為核心控制芯片，該單片機體積小操作簡單，價格便宜。因為89C52單片機內部沒有集成的函數庫，且控制芯片外設模塊較多，實際軟件編寫時復雜麻煩。

方案二：選擇stm32單片機進行系統的控制。STM32系列芯片時鐘頻率高達168MHz具有512K字節SRAM，具有極強的處理計算能力。較為適合需要大量數據處理的電磁炮系統。

通過比較，我們選擇方案二，采用STM32單片機作為控制器。

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到題目要求，這樣影響模型的穩定。并且ov7670不能進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，功能強大的機器視覺模塊。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語言高效地實現了核心機器視覺算法。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 電磁炮參數計算

驅動線圈長厚比：d=a/（r2-r1）=2;

電容量：500uF;

電容耐壓：50v;

驅動線圈匝數：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L=μ0（N2/l）S

Wm=1/2（Li2）

得到本系統線圈的總能量：196j

3 電路與程序設計

3.1 電路設計

電路設計由STM32最小系統擴展電路如圖1所示，繼電器控制電路，線圈，電容電路。

3.2 程序設計

程序流程圖如圖2所示。

4 測試結果

4.1 測試方案

每次設置仰角的大小，然后測量這個仰角能發射炮彈的及距離。

4.2 測試結果及分析

仰角設置 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

上述數據為部分數據，經用最小二乘法擬合直線，以得出以下結論：差范圍能控制在5cm范圍內，滿足設計要求。

5 結論

一種新型模擬電磁曲射炮的設計，將之前所學的知識進行融合，能夠實現設定的目標要求，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，更需要靈活的運用。

參考文獻

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