基于OpenMV視覺(jué)伺服的高精度電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

林政宇 王福杰 秦毅 郭芳 任斌

【摘? 要】目前，大多數(shù)高校缺乏能夠快速提升學(xué)生動(dòng)手能力的實(shí)驗(yàn)裝置，論文設(shè)計(jì)了一種可以直接用于電路電子教學(xué)的電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置。裝置由以STM32單片機(jī)為核心的控制模塊、充放電模塊、電磁炮發(fā)射模塊、OpenMV視覺(jué)模塊及操作模塊組成。為實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁炮發(fā)射目標(biāo)的精確控制，采用OpenMV視覺(jué)測(cè)距模塊對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，并反饋至核心控制模塊控制雙舵機(jī)云臺(tái)調(diào)整發(fā)射角度，通過(guò)驅(qū)動(dòng)充放電模塊設(shè)定電磁炮的推進(jìn)量進(jìn)行發(fā)射。實(shí)踐證明，基于OpenMV視覺(jué)伺服的高精度電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)能根據(jù)目標(biāo)區(qū)域快速調(diào)整自身的發(fā)射角以命中目標(biāo)區(qū)域。

【關(guān)鍵詞】電磁炮;實(shí)踐教學(xué);STM32單片機(jī);視覺(jué)伺服;實(shí)驗(yàn)裝置

【Abstract】At present， most colleges and universities lack the experimental device which can quickly improve students' hands-on ability. This paper designs an electromagnetic gun experimental device which can be directly used in circuit and electronic teaching. The device consists of a control module with STM32 single chip microcomputer as the core， a charging and discharging module， an electromagnetic gun launching module， an OpenMV vision module and an operating module. In order to realize the accurate control of the launching target of electromagnetic gun， the OpenMV visual ranging module is used to detect the target area， and feedback to the core control module to control the double steering gear pan tilt to adjust the launching angle， and the propulsion of the electromagnetic gun is set by driving the charging and discharging module to launch. Practice has proved that the experimental device system of high-precision electromagnetic gun based on OpenMV visual servoing can quickly adjust its launching angle according to the target area to hit the target area.

【Keywords】electromagnetic gun; practice teaching; STM32 single chip microcomputer; visual servoing; experimental device

1 引言

目前，大部分高校使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱裝置開(kāi)展電子電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)課程，此類(lèi)實(shí)驗(yàn)箱存在功能單一、價(jià)格昂貴、可擴(kuò)展性不強(qiáng)等缺點(diǎn)。因此，急需開(kāi)發(fā)一套價(jià)格低廉、可操作性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)裝置。

電磁炮演示裝置利用“電生磁”與“磁生電”的物理原理實(shí)現(xiàn)對(duì)球體的發(fā)射，可通過(guò)單片機(jī)編程調(diào)整出炮管的發(fā)射角度，小型化、便攜式的電磁炮實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置能極大地提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。目前，各大高校也紛紛采用電磁炮裝置作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具，然而從所檢索到的數(shù)據(jù)來(lái)看，目前用于教學(xué)的電磁炮裝置存在模型體積龐大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)際功能較為單一等需要改進(jìn)的地方，并且一般只具有儲(chǔ)能與發(fā)射功能，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足高校對(duì)電磁學(xué)的實(shí)驗(yàn)演示要求。本文研制了基于OpenMV視覺(jué)伺服的高精度電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置，涉及視覺(jué)伺服、機(jī)電一體化、電磁理論等諸多領(lǐng)域，具有效果直觀、可操作性強(qiáng)、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。使用該款裝置能基本涵蓋單片機(jī)的教學(xué)實(shí)踐內(nèi)容，也可通過(guò)增加功能動(dòng)態(tài)適應(yīng)單片機(jī)技術(shù)發(fā)展，最大化地增加了教具的趣味性和多樣化特征。

2 總體方案設(shè)計(jì)與工作流程

該電磁炮教學(xué)裝置大致可分為總控制模塊、視覺(jué)分析模塊、操作模塊、充放電模塊和發(fā)射模塊，其中又可細(xì)分為控制電路、瞄準(zhǔn)電路、測(cè)距電路、顯示電路。控制電路包括依次連接的電源、單片機(jī)電路、升壓整流電路、限流充電電路、穩(wěn)壓電路、繼電器開(kāi)關(guān)電路和發(fā)射電路;按鍵模塊包括充放電開(kāi)關(guān)、發(fā)射開(kāi)關(guān)和距離輸入按鍵;瞄準(zhǔn)電路包括OpenMV模塊和云臺(tái);測(cè)距模塊包括超聲波測(cè)距器;顯示電路為加在單片機(jī)上的LED屏組成。其具體工作原理和步驟如下：

步驟1：在需要進(jìn)行電磁炮演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先，學(xué)生需先放置目標(biāo)模型，插上24V電源1-1接口，為穩(wěn)壓器供電，繼而通過(guò)穩(wěn)壓器1-2為其他元器件供電;其次，打開(kāi)單片機(jī)1-3和OpenMV1-4的開(kāi)關(guān)。

步驟2：當(dāng)完成供電及打開(kāi)開(kāi)關(guān)后，OpenMV1-4自動(dòng)進(jìn)行定位，反饋輸出信號(hào)給單片機(jī)1-3，運(yùn)行代碼程序，單片機(jī)輸出信號(hào)控制雙舵機(jī)1-15、1-16調(diào)整角度。

步驟3：當(dāng)調(diào)整好角度后，超聲波測(cè)距器1-5實(shí)時(shí)調(diào)整檢測(cè)距離，并反饋至與單片機(jī)相連的LED屏1-6上供學(xué)生觀看，通過(guò)按鍵模塊輸入距離。

步驟4：當(dāng)學(xué)生在按鍵模塊1-7上輸入距離后，按鍵模塊反饋距離至單片機(jī)1-3，并通過(guò)代碼計(jì)算出偏角，調(diào)整炮管1-8上下偏角。

步驟5：當(dāng)雙舵機(jī)1-5調(diào)整好角度定住不動(dòng)時(shí)，單片機(jī)1-3輸出高電平信號(hào)給與升壓模塊1-9及超級(jí)電容1-10相連的繼電器1-11，使其打開(kāi)開(kāi)關(guān)，將24V航模電池1-1供電升壓到200V對(duì)超級(jí)電容1-10充電指時(shí)間。

步驟6：充電完成后，步驟3中所述繼電器關(guān)閉。單片機(jī)1-3再輸入高電平信號(hào)給與電磁炮上纏繞線圈及超級(jí)電容1-10相連的繼電器1-11，使其打開(kāi)開(kāi)關(guān)，并放電指定時(shí)間。

步驟7：當(dāng)電磁炮纏繞線圈通電時(shí)，電流經(jīng)過(guò)纏繞線圈產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，鋼珠1-12在磁場(chǎng)力的作用下彈出炮管，精確擊中目標(biāo)。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

該電磁炮模型所有裝置固定在一個(gè)水平的亞克力板1-13上，發(fā)射模塊通過(guò)海綿墊用四個(gè)螺絲緊固底板，防止震動(dòng)影響，其余模塊通過(guò)雙面強(qiáng)化膠固定，依次排列好，所用杜邦線也通過(guò)膠紙粘于板。瞄準(zhǔn)電路的云臺(tái)為雙舵機(jī)水平360°、豎直270°旋轉(zhuǎn)云臺(tái)。且發(fā)射模塊支撐部分，由凸型底座1-14為基座，一個(gè)舵機(jī)1-15放入底座中央使上部結(jié)構(gòu)能水平360°旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，支撐部分的中央為一矩形結(jié)構(gòu)，另一舵機(jī)1-16在其中使該矩形底邊固定不動(dòng)，其三邊可與底邊旋轉(zhuǎn)270°范圍。電磁炮的硬件控制電路由繼電器、供電模塊、STM32F4系列單片機(jī)、超級(jí)電容模塊、舵機(jī)云臺(tái)模塊以及OpenMV和超聲波模塊組成。連接充電和放電模塊的繼電器開(kāi)關(guān)均由單片機(jī)控制，同時(shí)，OpenMV和超聲波模塊各自的識(shí)別和測(cè)距也會(huì)傳輸至單片機(jī)，通過(guò)閉環(huán)反饋PID不斷修正。由學(xué)生親自輸入單片機(jī)上LED屏數(shù)值后，控制發(fā)射。整體發(fā)射流程通過(guò)單片機(jī)與各模塊之間的通信來(lái)控制。

電磁炮的理論基礎(chǔ)是法拉第電磁感應(yīng)定律。當(dāng)通過(guò)閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流流過(guò)的導(dǎo)線在原磁場(chǎng)中會(huì)受一個(gè)力的推動(dòng)。假設(shè)驅(qū)動(dòng)線圈脈沖電流為Iq，兩者之間的互感為P，則兩者之間沿線圈軸線方向的作用力為：

式中：F為彈丸所受的電磁力;B為炮管內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度;q為彈丸的帶電量;N為線圈匝數(shù);v為彈丸垂直于磁場(chǎng)方向的運(yùn)動(dòng)速度;I為電流強(qiáng)度;t為通電時(shí)間。由此可知，當(dāng)線圈匝數(shù)固定時(shí)，彈丸獲取的動(dòng)能與電容放電時(shí)提供的電壓有關(guān)。由上式可知：①為了使彈丸獲得盡量大的作用力F，線圈應(yīng)與炮膛同軸，繞在炮膛外面，通過(guò)膠水或者支架安裝在炮膛底部。②在線圈匝數(shù)一定的情況下，盡量縮短線圈的分布長(zhǎng)度，故用粗導(dǎo)線繞制線圈，減小線圈的內(nèi)阻。③通過(guò)不斷測(cè)量，發(fā)現(xiàn)將彈丸放到線圈的末尾處，受到的電磁力做的功最多，獲取的動(dòng)能最大，彈射效果最好。

為了確保了超級(jí)電容的安全性，提高該裝置的安全性，通過(guò)繼電器開(kāi)關(guān)將充放電兩個(gè)階段完全隔離開(kāi)來(lái)。且該電磁炮模型裝置，可以通過(guò)增加電容個(gè)數(shù)和纏繞圈數(shù)，控制發(fā)射的能量大小，提高了該裝置的發(fā)射靈活性。電容儲(chǔ)能能量大小可表示為：

式中：C表示電容量;U表示電壓。當(dāng)充電電壓越高，電容容值越高，存儲(chǔ)的能量也越高。而電容的容值同時(shí)也決定充電時(shí)間的長(zhǎng)短，容值越高充電時(shí)間越長(zhǎng)。根據(jù)電容充放電原理，自行搭建電路，電容充電時(shí)間短，且放電的瞬間可以產(chǎn)生巨大電能，通過(guò)升壓模塊，將電壓儲(chǔ)存在電容中，可以有效控制鋼珠的發(fā)射。

4 軟件設(shè)計(jì)

該教學(xué)用電磁炮模型包括自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式。由OpenMV攝像頭實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤，鎖定目標(biāo)，超聲波探測(cè)器探測(cè)距離，反饋至單片機(jī)。單片機(jī)控制放電電路的線圈電流進(jìn)而控制發(fā)送角度。單片機(jī)通過(guò)Keil5搭建編譯環(huán)境，控制在代碼里面實(shí)現(xiàn)，采用PID算法進(jìn)行閉環(huán)反饋。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種教學(xué)用電磁炮裝置，具有操作簡(jiǎn)單、效果直觀、模式靈活等優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)置自動(dòng)和全自動(dòng)模式，具有極高的教學(xué)糾錯(cuò)性，提高了教學(xué)的實(shí)際效果。

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