模拟电磁曲射炮（H 题）
学校：南京邮电大学
作者：嵇志康、陈嘉鸿、陈奎翰
指导教师：赵勃
摘要
本项目设计并制作实现了具备定点打靶、自动识别目标打靶、移动打靶等功能的模拟电磁曲射炮控制系统。本项目采用TM4C123GXL单片机作为控制核心，通过串口屏输入串口指令来完成不同题目之间的切换，单片机与舵机，电磁炮构成一个稳定的控制系统。电磁炮发射时采取定电压、动角度的方式来控制电磁炮的射出距离，对同一电压下下不同角度的射距进行检测，最后配合理论公式拟合出一条二次曲线，在单片机中，可利用拟合曲线的函数表达式，实现对特定的距离单片机能判断出舵机对应的角度，用固定电压对电磁炮进行放电，完成将弹丸射向目标区域的任务。为快速识别目标并准确判断目标距离，本项目利用摄像头模组与激光测距模块的数据，并在单片机中运算得到期望的电磁炮发射角度。本项目制作的电磁炮系统运行稳定，操作便捷，准确性高，能够出色完成赛题各项要求。
关键字：电磁炮、云台、视觉处理、激光测距
1 方案设计与论证
1.1 方案目标
根据题目要求，在规定时间内能够完成电磁炮充能，目标识别并确定方位，舵机转向瞄准和电磁炮发射，完成即能定点打、能自动识别打，能移动打的功能。发射出的炮弹能够精准地打在目标区域。
1.2 方案论证
1）控制核心板的方案比较与选择：
方案一：选用TI的MSP430单片机，MSP430具有处理能力强，运算速度快，超低功耗等特点且其内部资源十分丰富，易于开发。
方案二：选用TI的TM4C123GXL单片机，TM4的主频高，在运算速度方面快于MSP430，且开发界面简洁。
综合考虑，选择TM4C123GXL作为本项目的控制系统核心。
2）炮弹发射方案比较与选择：
方案一：选用电压可变，发射角度不变的方式，通过单片机实时读取并确定电压大小，在电压不同的情况下射出电磁炮弹，便可实现射程的不同，但电路较为复杂，且在调试时有一定危险，因而不选用。
方案二：选用定电压，动角度的方法，在固定的电压上发射出不同角度的炮弹，实现对射程的控制，电路较容易实现，主要是舵机控制，线路也相对安全。
综合考虑，选择方案二 作为电磁炮弹的发射方式。
电磁炮电路方案比较与选择：
方案一：选用基本的脉冲能量给电容充能，测试后发现充电时间太长，且释放能量不能达到题目的要求。
方案二：采用DC-DC的升压模块直接给电容充电，测试后发现充电速度明显加快，且释放的能量也恰好能达到题目的要求。
综合考虑，选择DC-DC升压模块进行电容的充电能较好地满足题目对于快速充电放电的要求，且能量也能达到目标，
测距模块选用方案比较与选择：
方案一：选择超声波测距模块，超声波测距模块能够通过发送和收超声波，利用时间差和声音传播速度，计算出模块到前方障碍物的距离。但在本题中，由于被测对象距离超声波模块有三米之远，而且形状不大，超声波在传递过程中会扩散，丢失，不能起到好的测距效果，因而不选用。
方案二：选用激光测距模块，激光测距模块先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，进而记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。
综合考虑，激光测距模块能良好适应本体要求，因而本题选用方案二。
1.3 系统设计
系统整体上分为三部分：
1）由舵机云台、DC-DC升压模块、励磁线圈、大容量电容、直流电源等组成的电磁炮储能与发射单元；
2）由TM4C123GXL单片机、串口触摸屏、直流继电器等组的核心控制单元；
3）由激光雷达、基于OpenCV的摄像头模组等构成的目标识别与测距单元。
系统整体结构框图如图1所示。
控制器模块：选用单块TM4C123GXL单片机作为控制。
电磁炮部分：将10V直流电源经过DC-DC直流升压模块提升到120V为电容充电储能，一段时间后电容放电到线圈完成炮弹发射。
舵机部分：采用LMX-1501舵机，响应快，扭矩大，能满足题目需求。
1.4 核心部件电路分析与设计
电磁炮电路部分：
舵机角度控制部分：
2 理论分析与计算
2.1炮弹飞行受力分析
2.2电容充电理论分析
电容充电即为当电容器接通电源以后，在电场力的作用下，与电源正极相接电容器极板的 自由电子将经过电源移到与电源负极相接的极板下，正极由于失去负电荷而带正电，负 极由于获得负电荷而带负电，正，负极板所带电荷大小相等，符号相反，见图。电荷定 向移动形成电流，由于同性电荷的排斥作用，所以开始电流最大，以后逐渐减小，在电 荷移动过程中，电容器极板储存的电荷不断增加，电容器两极板间电压 UC 等于电源电 压 U 时电荷停止移动，电流 I=0。
电容放电时开关闭合，通过导线的连接作用，电容器正负极板电荷中和掉。当 K 闭合时，电容器 C 正极正电荷可以移动 负极上中和掉，负极负电荷也可以移到正极中和掉，电荷逐渐减少，表现电流减小，电压也逐渐减小为零。
2.3 有关射程与发射角度的拟合曲线
测量数据：
表1、不同角度对应距离测量表
拟合曲线：
图5、测量拟合曲线
3 程序设计
3.1软件设计与工作流程图
软件设计思路：系统采用模块化结构设计，使得系统功能组态更加方便。基本程序模块有模式选择程序、激光测距程序、摄像头识别程序、舵机控制程序，电磁炮发射控制程序等。各个模块能够独立实现各部分功能。程序设计流程图如下：
图6、软件工作流程图
4 测试方案和测试结果
4.1系统测试
测试条件：
（1） 测试时间：8月9日
（2） 测试地点：实验室
测量仪器：
（3） 卷尺 1个
（4） 秒表 1个
测试方法：输入弹射距离，在电磁炮发射炮弹后迅速记录当前射程，最后经过软件拟合曲线。
测试数据：
4.2创新发挥
用与靶标颜色相同的电动小车驶过场地，电磁炮经过图像的计算准确打到小车。
5 参考文献
【1】杨玉东，王建新，《电容式电磁炮电源电路的设计与仿真》，2008年
【2】刘洋天，《数值解析轨道电磁炮发射速度与相关参数的关系》，2017年
【3】百度，www.baidu.com
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