1系統(tǒng)方案設計

本設計主要采用sTM32單片機作為主控芯片,用openMV3采集數(shù)據(jù),用雙舵機云臺控制炮臺角度和攝像頭方向,通過oLED顯示模塊作為整個系統(tǒng)的交互界面,按鍵可以進行模式選擇和距離角度的輸入,以調(diào)整云臺角度,電源模塊、電磁炮、繼電器控制電磁炮的充電和發(fā)射。下面將其中主要模塊的選擇與設計方案進行詳細介紹。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1控制方案選擇

方案一:采用sTM32單片機。sTM32系列單片機擁有高性能、低成本、低功耗嵌入式應用設計的ARMCortex-M3內(nèi)核,程序庫比較齊全,并且程序為模塊化,接口相對簡單,應用較為廣泛。但也存在一定不足,如針對多路信號處理需要多片DsP并行處理。

方案二:采用MsP430F5529作為主控芯片。MsP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RIsC）的混合信號處理器（MixedsignalProcessor）。MsP430單片機具有處理能力強、運行速度快、功耗低、內(nèi)部資源豐富等優(yōu)點。但是I/o口無保護,易被過壓過流擊穿。

在綜合比較上述兩種方案后,基于本系統(tǒng)的特點采用方案一,使用sTM32單片機作為主控芯片。

1.2測距裝置的選擇

方案一:采用激光測距模塊ATK-VL53L0X測量標識物體與炮臺間的距離,但是激光測距模塊測量范圍較小,在規(guī)定射程內(nèi)容易受光線強度影響,會產(chǎn)生較大的測量誤差。

方案二:采用openMV3測量炮臺與標識物間的距離,測量較為精準,誤差較小,并且用openMV3還可以代替攝像頭尋找目標,實現(xiàn)自動搜尋目標。在openMV3與sTM32單片機之間采用串口通信,實時回傳openMV3所測量的數(shù)據(jù)。

考慮到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與所實現(xiàn)的功能等方面進行分析,本設計決定采用功能更為全面的openMV3作為測距裝置。

1.3電源模塊設計

電源模塊不僅給單片機和云臺供電,還要給電磁炮電容進行充電,給電磁炮提供足夠動力。電源的選擇還要首先在保證安全的前提下考慮。經(jīng)過多次實驗驗證,在采用雙電源對電路進行供電時,既能保證各個模塊運行,還可減少各模塊間的相互干擾,提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性,且可保障安全。通過降壓穩(wěn)壓模塊分別對sTM32單片機、openMV3和舵機進行供電,對電磁炮電容進行充電時,所需電壓較高,為避免對其他模塊運行造成影響,本設計采用單獨電源s-15-24AC-DC變壓器給電容充電,通過繼電器控制電容充電和放電時間。

1.4電容的選擇

電容在整個電磁炮組成中起著至關重要的作用,作為整個電磁設備的儲能裝置,可以為電磁炮的發(fā)射提供足夠能量。所以電容的電荷和電壓決定了電磁炮的發(fā)射動力。

方案一:采用小電容并聯(lián)方式給電磁炮提供動力,當采用并聯(lián)方案時,電容容量變大,耐壓值變?yōu)椴⒙?lián)電容中電壓最小值,此方案會使用較多電容,使用更多資源,但成本較低。

方案二:采用一個大電容給電磁炮提供動力,大電容可以儲存更多電量,還可以優(yōu)化電路結構,減少資源使用,且大電容更能保證安全。

經(jīng)過多次實驗和理論分析,本設計決定采用一個100V、10000uF的大容量電容給電磁炮提供動力。

2理論分析和計算

2.1電容大小計算

電容器電勢能計算公式:e=cu2/2=gu/2

多電容器并聯(lián)計算公式:c=c1＋c2＋c3＋…＋cn

多電容器串聯(lián)計算公式:1/c=1/c1＋1/c2＋…＋1/cn

式中,e為電勢能:c為電容:u為電壓:g為電荷量。

2.2彈丸發(fā)射角度與距離的計算

當電磁炮供電電源和彈丸大小一定時,通過調(diào)整舵機角度測得以下實驗數(shù)據(jù),如表1所示。

經(jīng)過多次實驗調(diào)試和數(shù)據(jù)采集分析,當舵機角度為40。時,發(fā)射距離最大。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析和計算,理論距離與舵機角度公式:

式中,s表示距離:x表示角度。

3電路與程序設計

3.1電路總體設計方案

電路總體設計方案如圖2所示。

3.2程序設計

本系統(tǒng)采用模塊化結構設計,以KEIL為sTM32單片機開發(fā)環(huán)境,提供了C編譯器及功能強大的仿真調(diào)試等完整的開發(fā)方案,以0penMVIDE為0penMV的開發(fā)環(huán)境,使用python進行語言編譯,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和單片機之間的通信,二者協(xié)同工作,使各功能組態(tài)更簡潔明了,使用更便捷。

3.2.10penMV實現(xiàn)主要思想

導入所需模塊,完成初始化設置,然后進行圖像處理。設置ooVGA模式,即屏幕大小為180mm×120mm,根據(jù)先前設置的顏色閾值（紅色目標）,實現(xiàn)顏色追蹤功能,再調(diào)用0pneMV相關庫,將目標標記出來,然后選取目標最大色塊進行標記,即最后屏幕上只標記目標最大色塊,然后讀取目標色塊的橫坐標、縱坐標,并通過串口通信發(fā)送給sTM32單片機,進行相關處理后,進一步控制舵機,同時根據(jù)攝像頭成像相關原理,依據(jù)實際距離和像素關系,讀取目標與攝像頭直線距離,同樣通過串口通信發(fā)送給sTM32單片機。

3.2.2sTM32實現(xiàn)主要思想

sTM32作為控制板,分為基礎部分和發(fā)揮部分。首先通過按鍵輸入,整體上分為5個模式,分別對應基本方法的3種功能實現(xiàn)。通過按鍵進入模式2,0LED會進行顯示,比較清晰。模式2實現(xiàn)輸入距離,控制線圈炮將炮彈打出。然后再次按鍵,切換到模式3,通過函數(shù)的調(diào)用,實現(xiàn)輸入距離和角度,控制炮彈發(fā)射。發(fā)揮部分主要通過串口通信接收來自0penMV的數(shù)據(jù),包括點坐標和距離,并讀取寫入sTM32程序,實現(xiàn)對云臺舵機的調(diào)整,進而對移動目標進行跟蹤。

3.2.3程序流程圖

程序流程圖如圖3所示。

4系統(tǒng)測試

4.1測試儀器

（1）卷尺:（2）220V交流電源:（3）靶子:（4）目標標識物:（5）量角器:（6）秒表。

4.2測試方案

（1）搭建好場地后,連接電路電源。（2）分別對基本部分和發(fā)揮部分進行測試。（3）通過按鍵選擇測試內(nèi)容。（4）觀察彈丸擊中的目標靶數(shù)并記錄靶數(shù)和所用時間。

4.3測試結果

基本要求測試結果如表2所示,發(fā)揮部分測試結果如表3所示。

4.4測試結果分析

通過測試結果可以看出,測量值存在較大偏差,且在發(fā)揮部分的測試結果并不理想,離預期還有一定的差距。經(jīng)過對這個運動過程的分析發(fā)現(xiàn):舵機在轉動過程中產(chǎn)生的震動會對攝像頭數(shù)據(jù)的采集和彈丸的發(fā)射產(chǎn)生一定影響,并且所使用的彈丸材質(zhì)不同也會對結果有一定影響,經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn),帶磁性的物質(zhì)發(fā)射距離更遠,運動過程也更加穩(wěn)定。

5結語

本設計利用所學專業(yè)知識,完成了模擬電磁曲射炮的設計與調(diào)試工作。模擬電磁曲射炮經(jīng)過測試,可以較為精準地擊中目標,但是模擬電磁炮在調(diào)試過程中也還存在一些問題,例如,0penMV在不同光照環(huán)境下的識別可能會出現(xiàn)識別結果錯誤,或者0penMV的識別會受到與目標相似干擾物的影響等。這些問題都需要在以后的改進和調(diào)試過程中解決。