基于MK66單片機的模擬電磁曲射炮

孫弋婷，金樂偉

（1.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州，310018；2.杭州電子科技大學電子信息學院，浙江杭州，310018）

1 系統總體設計

本系統采用Open mv、云臺、角度傳感器TF MINI構成閉環回路系統。其中Open mv、TF MINI獲得的位置信息反饋到單片機，單片機根據位置信息控制云臺轉向。角度傳感器用以采集云臺上炮筒的傾斜度信息，單片機根據傾斜度信息控制云臺的轉向。達到目標之后，通過單片機控制電容對線圈的充放電實現炮彈是否發射。

總體結構分為3個部分:輸入輸出的顯示板、主控板、電磁炮板。其他模塊通過接口與主控板相連。各個模塊協調，共同完成電磁炮的任務。

2 理論分析與計算

■2.1 電磁炮參數計算

電磁炮部分主要由固定線圈繞成的炮身、彈珠、儲能電容與繼電器開關組成。當炮身接通電源時，所產生的的磁場與可動線圈上的感應電流互相作用，產生洛倫茲力，使彈珠被加速射出。彈珠所受到的力可表示為：

其中F為洛倫茲力(N）、IF為固定線圈中的電流強度(A)、IP為彈丸產生的電流強度(A)、M為炮管與炮彈之間的互感(H)、dM/dx為互感梯度(H/M)。固定線圈中的電流強度越大，彈丸所受的電磁力越大。

■2.2 彈道分析

炮管長度為9.5cm，彈珠的重量50g。推得彈珠離開炮管的初速度：

忽略空氣阻力時，彈丸的彈道曲線近似為：

■2.3 能量計算

當電容與電源接通時，相當于電源給電容充電，電容儲存的容量為：

C=4700μF，U=60V,得儲存的能量為8.46J。

■2.4 路徑擬合公式

整個系統的裝置通過控制上下角度的舵機的打角來控制距離的遠近，根據實際測量的距離與舵機角度的值，測試點從3m開始，5cm為間隔，測試直至2m結束，記錄數據并將數據制圖擬合。得出路徑公式：

圖3 路徑擬合圖

3 硬件系統設計

■3.1 攝像頭模塊

攝像頭模塊如圖4所示，采用OpenMV4 Cam H7攝像頭，最高支持120FPS 320×240圖像采集，是一個低功耗小型智能攝像頭模塊。

圖4

■3.2 舵機模塊

本模塊采用數字舵機D3015，打角范圍約在300°，通過調控占空比改變舵機角度，更為精準，同時相比步進電機而言，更為穩定，對整體的結構穩定性更為有保障，能夠滿足轉向與平衡要求。

圖5

■3.3 電機驅動模塊

本系統設計中由于采用50V及以上的高電壓，使用繼電器，能夠滿足儲能電容的充放電，但由于線圈在充放電中較高的瞬時電流，以及較高的電壓環境，因此采用如圖6所示的MOS搭建的半H橋控制繼電器，其工作原理是使MOS管工作在開關狀態，由兩片IRLR7843構成的橋式電路。當PWM1和PWM2分別為高、低電平時，控制其導通與截止，從而實現對繼電器不同導通選擇。

圖6 半H橋控制繼電器圖

■3.4 其他外圍電路設計

外圍電路設計如圖7所示，包括OLED 顯示電路、UART 串口電路、單片機時鐘與復位電路、J–link下載電路和按鍵調試電路。

圖7 其他模塊電路

4 系統軟件設計

■4.1 電磁炮程序及核心模塊設計

電磁炮的工作流程如圖8所示，在繼電器充電結束后，通過OLED上的菜單選擇不同的標題后，打開不同的子菜單。在各不同界面輸入設定值，可根據設定值進行調節。電磁炮的核心模塊原理如圖9所示：利用MOS管驅動控制繼電器，使繼電器線圈吸合，電容中的電瞬時放給線圈，產生的磁場與可動線圈上的感應電流互相作用，產生洛倫茲力，使彈珠被加速射出。

圖8 電磁炮程序流圖

圖9 電磁炮核心模塊

■4.2 控制算法PID

PID控制[3]是一種十分經典的控制規律。它是由三個基本單元比例P、積分I和微分D構成的。因為單片機控制不是連續控制，所以采用離散PID形式。 將時間、積分、微分的公式代入模擬PID的計算式中，可以得到離散PID的計算式，其中模擬PID的計算式如式所示，離散PID的計算式如式(1)所示。

上式即為常見的位置式PID，然而在常見的直流電機自適應控制系統中，通常都使用增量式PID，易知控制器在第k–1時刻的輸出值如式（3）所示。

將兩個式子進行相減就能夠得到增量式PID的算術表達式，如式（4）所示。

將偏差的比例（Kp）、積分（Ki） 和微分（Kd）通線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，Kp、Ki和Kd3個參數的選取直接影響了控制效果在經典 PID 控制中，給定值與測量值進行比較，得出偏差，并依據偏差情況，給出控制作用u(t)。炮臺位置的移動過程中，我們已經用陀螺儀檢測出目前的角度。以及我們期望達到的目標，將偏差帶入公式可以計算出我們需要給舵機的值，從而控制炮臺。

5 測試結果

■5.1 測試方法

本系統測試采用多數據收集與數據擬合圖像方法進行測試：（1）調整炮管角度為45°，測量整機實際最大發射距離，記錄數據。（2）從規則要求的3m處開始測試，調整相對應的炮管角度，測試直至彈丸落點位于十環處，記錄此時的輸入占空比。（3）以3m為記錄起點，以5cm為記錄精度，通過多次發射10mm光滑鋼珠，直至大部分測試落至十環處，記錄此時的輸入占空比。測試直至2m處結束，記錄各項數據。

■5.2 測試結果

基本測試結果如圖10所示，測試點從3m開始，5cm為間隔，測試直至2m結束，記錄數據并將數據制圖擬合。

圖1 系統結構圖

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靶心與定標點距離的改變與中心軸線的偏移角度的改變（見表1）。

表1

在指定范圍內任意放置環形靶，測量角度與距離（見表2）。

表2

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6 結語

此電磁曲射炮機械裝置，由水平方向與垂直方向兩個方向的舵機構成一個云臺。水平方向上的舵機上裝攝像頭,轉動時可掃描場地環境。垂直方向上裝上炮管，調整角度即可通知發炮的遠近。在硬件電路上，用恒壓源給儲能電容充電，充好電后，用高點電平控制繼電器的吸合與斷開，從而導致電容充好電之后給線圈瞬時放電，使彈珠獲得磁場力彈出。在軟件架構上，通過不斷的測試得出結論擬合出規律曲線，可以通過距離與舵機角度的關系控制，同時，使用openmv對周圍場地圖像識別，尋找紅色色塊，找到目標通過高低電平控制炮彈的發射。