江苏大学——H题 模拟电磁曲射炮 总结反思与经验交流

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2019年 TI 杯全国大学生电子设计竞赛终于尘埃落定，作为有三年电赛经验的我来说，今年很有幸能够走完整个电赛流程（还差一步最后的全国颁奖，哈哈哈），再次特别感谢我的队友DYC、YXB还有一个学机械的外援童鞋（我还不知道他的名字：D）正是因为我们分工明确，团结协作才取得了国一的理想成绩（国一是在意料之中的，本想着能够去争一争 TI 杯的，由于水平有限还是没能够被邀请展示），好啦，废话不多说啦，下面我就说一说我们的方案和一些想法。

国赛第一轮：
国赛第一轮就是在所有题目中选一道题，然后通过四天三夜的时间把他制作出来，各项要求符合指标即可，最后有一个创新部分即其他发挥部分是需要大家发挥想象力去做一些创新的（我就做了能够自动换炮弹，连续发射的炮筒）。我们选的题就是电磁炮啦，听上去很高大上，大家肯定想到了马伟民的电磁炮了，哈哈哈（悄悄告诉你们马伟民跟我是老乡，嘿嘿嘿），当然了，我们做的只是类似玩具的，原理上还是不太一样的。我们的电磁炮原理其实是很简单的，就是利用给线圈通电瞬间，变化的电场能够激发出交变磁场，这时磁场中的磁性物质会受到洛伦兹力作用，从而加速运动并发射出去。那么问题来了，如何制作线圈？如何产生脉冲电流？如何精确控制炮弹的落点？
根据这三个问题，我们引出了电磁炮系统的三大部分：
（1）炮台的机械结构与加速线圈；
（2）电磁炮的驱动部分；
（3）电磁炮的控制部分即制导环节。

下面且听小编娓娓道来。
（1）炮台的机械结构与加速线圈。有关炮台的机械结构我就不详述了，因为大部分活都是学机械的那个外援干的（小编一定要请他吃饭）。加速线圈可是我亲自出去买的漆包线，选用的是直径1.25mm的漆包线，在外径10mm的有机玻璃管上绕了十层，最后配合46V的电压最多能打到3M多远。

（2）电磁炮的驱动部分。炮驱的原理图如下：



我们是用4.7mf耐压160V的大电容作储能元件，利用升压模块给电容给电容充电，然后用4115 NMOS作开关器件，MOS的驱动芯片用的是MC34151，单片机只要给个100MS的负脉冲即可，但是切记要给单片机的触发引脚接一个上拉电阻，否则在单片机复位或者其他情况下可能会使得触发引脚浮空，从而使MOS误导通，从而将MOS烧毁。

（3）电磁炮的控制部分即制导环节。我们采用的MCU是STM32F407VGT6，价格一般，外设资源丰富，运算速度快，性价比很高。

我们的控制方案是分为三大部分的：
（1）云台的偏航角控制；
（2）舵机的俯仰角控制；
（3）视觉跟随控制。

云台的偏航角控制。我们组是采用的42步进电机来控制云台的偏航角的，然后结合MPU9250MPL解算得到的偏航角使用PID算法进行偏航角的闭环控制。控制频率为5MS一次，偏航角的精度在0.001°，并且长时间不会出现漂移与积分现象（这是小编在国赛准备期间花了近一周时间做出来的，相对于传统的DMP解算精度提高了，最主要的不会出现角度积分与偏移，稳定性还好，小编在强磁场干扰的环境下做过测试，偏航角依旧十分稳定在0.001°的精度）。在偏航角的闭环控制中，我们把步进电机当直流减速电机用，控制它的频率来达到调速的目的。

舵机的俯仰角控制。一开始我们的俯仰角控制也是采用步进电机的，但是发现步进的转矩不够大，而且角度控制起来没有舵机方便，遂改换舵机。我们通过多次对不同角度发射的炮弹落地点的距离进行测量，并且进行了四次多项式拟合（其实小编觉得用回归来预测可能效果更好，但是由于时间原因没有尝试），因为舵机的精度能够达到0.4°，所以最终打靶的误差也不是很大。
视觉跟随控制。由于是要在限定时间内快速找到靶子并且射击，所以我们做了一个靶子中心X坐标的位置闭环。就是用摄像头对前方的物体进行霍夫变换，找出圆形。一开始我们先抓到红色阈值再进行霍夫变换，但是发现那样受环境光的干扰太明显，所以我们一开始就开启摄像头的灰度模式，在灰度图里对圆进行识别，这样就可以大大减少环境光的干扰了，而且帧率还高。摄像头检查到圆后将圆中心的X坐标通过串口发送给单片机，单片机端为了确保数据的可靠性，对其进行了二范数滤波，以做到万无一失不会误识别。

下面是我们组电磁炮系统的帅照，哈哈哈。







国赛第二轮：
今年我们花了一周的时间来准备综合测评，相对来说准备的还是比较充分的，由于小编比较懒，所以就没有画出Multisim的仿真图了（主要是当时算参数的草稿纸找不着了，我太懒了，哈哈哈），下面我只来说一说我的思路。

1、产生方波。因为只有LM324运放，没有555定时器，所以只能够用运放震荡产生方波，这个原理图很简单，如下所示。


3、 与正弦波同频率的窄脉冲占空比5%-15%可调。这个最简单了，直接用个比较器将参考点接分压电阻用电源进行分压即可，调节分压的电位器就可以调节占空比，但是因为运放的速度不够，还是要将输出波形接到与非门进行美化。

4、与正弦波同频率的正交余弦波。这个也很简单，将正弦波进行积分或者是微分即是正交的余弦波，具体的电路图和积分后的幅值公式
网上都有，幅值公式我写一下，可能跟大家的想法不太一样



Ui是输入波形的幅值，Ubase是参考点的偏置电压，R、C是积分电容电阻，T是输入波形的周期，个人建议电阻取10K，算电容。

以上的模电部分因为要接1K的负载，大家可能会碰到上一级电路波形挺好的，但是接到下一级就会变形，这里我给大家的建议是：将下一级的输入电阻尽可能的接大些，最好10K以上，让后级相对于前级是开路，这样就不会有电流流向下一级影响波形了。

以上便是这次比赛的思路总结了，大家如有疑问都可以留言与我交流，鸡汤的话也不想写了，就一句话这次比赛也算是对得起自己和队友三年来的努力了，哈哈哈。下面的github地址里有我所有的代码和模电准备部分的电路还有论文啥的，大家有需要的自取，最后当然是希望 大家给我点个赞啦，哈哈哈。

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