模拟电磁曲射炮设计

ＩＳＳＮ１００６－７１６７ＣＮ３１－１７０７／ＴＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮＩＮＬＡＢＯＲＡＴＯＲＹ第３９卷第１０期　Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１０２０２０年１０月Ｏｃｔ．２０２０　基于ＳＴＭ３２的模拟电磁曲射炮实验系统设计张清勇，　吕笑天，　李志勇，　李嘉豪（武汉理工大学自动化学院，武汉４３００７０）摘　要：在实验教学中，为帮助学生更好地掌握电磁场和计算机视觉领域相关知识，设计了一种基于ＳＴＭ３２的模拟电磁曲射炮实验系统。

该系统机械结构包括２自由度可控云台和电磁炮结构。

硬件部分由主控、识别、运动控制、电磁炮控制以及人机交互等模块组成，系统采用ＳＴＭ３２ＶＧＴ６作为主控制器。

软件部分通过使用颜色追踪算法结合ＰＩＤ算法实现电磁炮自动追随引导标识并集中环形靶心。

测试结果表明，模拟电磁曲射炮系统可以完成色块追随，使炮口精准对准引导标识。

也可通过手动输入距离和角度，完成对环形靶的精准打击。

该系统易于实现，且具有定位打击精度高、追踪色块打击速度快的优点。

关键词：电磁曲射炮；机器视觉；ＰＩＤ算法；颜色追踪算法中图分类号：ＴＰ３９ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６－７１６７（２０２０）１０－００７７－０６ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｕｒｖｅｄＧｕｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＭａｃｈｉｎｅＶｉｓｉｏｎＺＨＡＮＧＱｉｎｇｙｏｎｇ，　Ｌ Ｘｉａｏｔｉａｎ，　ＬＩＺｈｉｙｏｎｇ，　ＬＩＪｉａｈａｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅａｃｈｉｎｇ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｈｅｌｐｓｔｕｄｅｎｔｓｂｅｔｔｅｒｇｒａｓｐｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｒｅｌａｔｅｄｋｎｏｗｌｅｄｇｅ，ａｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎｂａｓｅｄＳＴＭ３２ｃｕｒｖｅｄｇｕｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｅｓｔｗｏｄｅｇｒｅｅｓｏｆｆｒｅｅｄｏｍｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｃｒａｄｌｅｈｅａｄａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｇｕｎ．Ｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｐａｒｔｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ，ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ，ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ，ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｇｕｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅａｎｄｍａｎ ｍａｃｈｉｎｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅ．ＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅＵＳＥＳｕｓｅｓＳＴＭ３２ＶＧＴ６ａｓｔｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．Ｉｎｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐａｒｔ，ｔｈｅｃｏｌｏｒｂｌｏｃｋｔｒａｃｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｃａｓｃａｄｅＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍａｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｇｕｎｔｏａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｆｏｌｌｏｗｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｍａｒｋａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｔｈｅａｎｎｕｌａｒｔａｒｇｅｔｃｅｎｔｅｒ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｕｒｖｅｄｇｕｎｓｙｓｔｅｍｃａｎｆｏｌｌｏｗｔｈｅｃｏｌｏｒｂｌｏｃｋｓ，ｓｏｔｈａｔｔｈｅｇｕｎｍｕｚｚｌｅｃａｎｐｒｅｃｉｓｅｌｙａｌｉｇｎｗｉｔｈｔｈｅｇｕｉｄａｎｃｅｍａｒｋ．Ｙｏｕｃａｎａｌｓｏｍａｎｕａｌｌｙｉｎｐｕｔｔｈｅａｎｇｕｌａｒｄｉｓｔａｎｃｅｔｏａｃｈｉｅｖｅａｐｒｅｃｉｓｅｓｔｒｉｋｅｏｎｔｈｅｔａｒｇｅｔ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｅａｓｙｔｏｉｍｐｌｅｍｅｎｔ，ａｎｄｈａｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄｆａｓｔｓｐｅｅｄｏｆｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｌｏｒｂｌｏｃｋ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｕｒｖｅｄｇｕｎ；ｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎ；ＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｃｏｌｏｒｂｌｏｃｋｔｒａｃｋｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ收稿日期：２０２０ ０１ ０２基金项目：湖北省自然科学基金项目（２０１９ＣＦＢ５７１）；武汉理工大学教学改革研究项目重点项目（２０１９０２４）；国家级大学生创新创业训练计划（２０１９１０４９７１１００３）作者简介：张清勇（１９８４－），女，湖北仙桃人，博士，高级实验师，研究方向为智能交通系统优化与控制。

基于STM32模拟电磁曲射炮系统的设计摘要:系统采用STM32F407作为控制核心，实现了模拟电磁曲射炮（以下简称电磁炮）的能量管理与发射控制，电磁炮可在水平方向及垂直方向调节并自动瞄准目标进行发射。

硬件电路由单片机最小系统、电源模块、触摸显示模块、摄像头模块、舵机稳压模块、云台、电磁炮构成，通过串行同步数据收发接口进行各模块间的通信。

关键词： STM32F407、电磁炮、摄像头、云台一、设计方案工作原理1.预期实现目标定位制作一个模拟电磁曲射炮装置，能够实现题目中的基本要求，完成发挥部分，使电磁炮能顺利发射炮弹并自动搜寻目标，击中环形靶。

2.系统方案的选择与设计本装置主要由处理器，显示模块，电磁炮电容模块，舵机模块，摄像头模块组成。

下面分别论证这几个模块的选择与设计(1)处理器选择方案1：采用51单片机作为主控芯片。

传统的51单片机广为应用,具有使用简便，价格便宜等优点，但是其运算能力较低，片上资源少,处理速度较慢，功能相对单一，难以实现较复杂的任务要求。

方案2:采用FPGA做主控制器。

由FPGA来完成采集和信号处理等底层的核心计算。

优点是计算速度快,功能强大;缺点是成本高，制作耗时长,不易控制。

方案3:采用STM32F407单片机做主控芯片。

该系列具有动态功耗调整功能，资料丰富，外设功能丰富（ADC、DAC、PWM、内部flash等），运算速度快，运行可靠，成本控制好。

综合比较以上方案，在控制同样较为复杂的FPGA与STM32F407中，我们选择性能更为优良，可满足本系统要求的STM32F407作为系统控制器。

(2)显示系统选择方案1：LCD液晶屏幕。

LCD12864仍然是现在大多数单片机入门学习者的首选，但是因为年代悠久，对控制器占用过高，刷新率慢，色彩单一，无法触摸，LCD液晶屏无法满足需求。

方案2：TFT液晶显示屏。

TFT液晶显示器可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。

其使用特性好:低压应用，低驱动电压,固体化使用安全性和可靠性提高;低功耗，它的功耗约为CRT显示器的十分之一。

模拟电磁曲射炮（H题）摘要：根据模拟电磁曲射炮的设计要求，在对整体方案的考虑与研究，并经过多次优化后最终确定选用STM32F103ZE76作为MCU。

对于电磁炮部分，我们采用了线圈炮作为主体，用两节耐压值为50V的电容作为单次发射供能装置。

电容的充放电则由与单片机相连的继电器控制。

通过键盘或利用摄像头的方式来获取环标靶的方位，由此获得由两个直流舵机组成二维的云平台的运转角度。

而舵机是由单片机通过其中的PWM技术进行控制。

对于整体的电路我们则用24V 直流稳压电压源进行供电。

对于单片机通过降压后再进行供电，而对电磁炮系统供电我们先利用升压模块进行电源的升压再对电容进行供电。

最后在多次测试后，系统基本达到了设计要求。

关键词:线圈炮；STM32F103ZE76;直流舵机；PWM一．系统方案1.实现方法本体要求设计并制作一个电磁曲射炮，炮管能够在水平方位及垂直仰角方向可调，同时可以将射出的弹丸击中目标环行靶。

于是我们想利用舵机控制电磁炮的发射角度，用键盘来确定电磁炮该如何运作及其之后采用摄像头再利用PID算法来得知方位进行发射。

对于电磁炮，考虑到其需要较大的非恒定电流才可以提供足够的力，我们便决定利用较大的电容进行供电。

于是采用了升压模块。

同时利用了单片机进行了定时的控制。

上述各模块的方案如下：（1）.控制模块采用ST公司的STM32F103ZF76作为主控制芯片。

作为32位处理器，其最高频率为72MHz，1.25DMIPS/MHz，可以实现快速运算的能力。

其具备低功耗体积小，技术成熟并且成本低。

同时它还有着自由度大，软件编成灵活等优点。

（2）.电机模块水平方向的舵机我们采用了Futaba的BLS177SV型号，因为考虑到底层应该要承受较大的力所以要提供较大的力矩，而该型号电机正好可以满足大转矩。

在水平方向的捕捉速度一般较快，且要有较快的反应速度，其次水平方向会有较大的角度转变，因此要有尽可能小的死区，所以我们选用了这款高价位的电机，其可以满足整体要求。

关键词:嵌入式；STM32；大数据技术；电磁曲射炮电磁曲射炮顾名思义是用电磁力发射弹丸并力求准确命中目标[1]，而能够通过电磁力发射的弹丸一般使用铁珠或者钢珠[2，3]。

为了更好地研究电磁曲射炮，结合电磁学、力学等理论，本文模拟设计一种基于嵌入式与大数据技术的模拟电磁曲射炮系统。

结合嵌入式技术目的是为了设计的电路系统体积小，运算速度快，稳定性强，低功耗，而且功能强大[4]；结合大数据技术目的是为了建立控制专家库数据[5]，记录每一次发射前后的所有电路参数和发射效果，通过算法模型不断优化自动控制参数，以提高电磁曲射炮控制效果。

文章采用内核是ARM32位Cortex-M3CPU的STM32单片机，并采用DC-DC升压恒压恒流可调电路和ADXL345倾斜度角度传感器，程序设计时在每次发射任务初始化时通过无线网络连接云端服务器获取控制专家库数据进行对比和参考，且在发射完成后注意更新控制专家库数据。

相比市面已有的模拟电磁曲射炮，本次设计的控制系统精度更高、稳定性更强，可以在实际应用中进行推广。

1电路模块的设计1.1电路硬件系统总体设计本系统由嵌入式单片机主控芯片电路、按键电路、角度传感器、继电器模块、舵机云台控制电路、AD采集电路、图像处理电路、显示电路、语音播报电路及无线网络收发电路十个电路模块组成。

首先主控芯片采集舵机控制电路中的角度传感器和图像处理电路中的信息数据，同时通过无线网络收发电路接收云端服务器控制专家库数据进行参考，再由主控芯片发送指令到舵机控制电路，从而自动搜寻目标，再由继电器电路控制大功率电容的充放电，从而来实现电磁曲射炮的发射。

电路硬件系统总体框图如图1所示。

1.2嵌入式单片机主控芯片电路嵌入式单片机主控芯片电路包括单片机最小系统、复位按键和OLED液晶显示，主控芯片采用STM32系列的ARM32位Cortex-M3CPU。

若复位按键按下，则单片机的所有数据恢复到最初始的状态，PA、PB、PC、PD口则用于传输显示数据，OLED则是实时显示系统工作时的电压值、仰角角度。

基于 STM32 与 OpenMV 的双主控模拟电磁曲射炮系统摘要：本系统采用STM32F103 为控制核心，采用 OpenMV 为辅助主控，两主控间采用串口进行通信，设计出一个电磁曲射炮系统。

系统由主控部分、电容充放电部分以及电磁炮炮体等部件构成。

通过电磁系统中电磁场产生的磁场力来对金属炮弹进行加速，使其能击中目标。

关键词：STM32F103；OpenMV；磁场力；1 系统方案本系统的设计思路如图 1，直流稳压源通过全桥电路得到交流电压，加在变压器一次侧，通过改变开关的占空比来改变输出电压 U，再通过四倍压整流，将较低的交流电压整流得到一个较高的直流电压，进而为电容充电,再利用电容对线圈放电，通过电磁系统中电磁场产生的磁场力来对金属炮弹进行加速。

图 1 方案框图1.1 电路方案方案一：反激电路指当开关管接通时，输出变压器充当电感，电能转化为磁能，此时输出回路无电流；相反，当开关管关断时，输出变压器释放能量，磁能转化为电能，输出回路中有电流。

但当电路工作在断续模式时，在负载为零的极限情况下，将损坏电路中的元件。

方案二：全桥电路+四倍压整流，其中的逆变电路由四个开关组成（这里可以采用单相逆变电路），互为对脚的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，将直流电压逆变的交流电压加在变压器一次侧，再通过四倍压整流得到一个较高的直流电压。

通过对以上两种方案的比较可知，方案二具有全波整流电路的优点，且同时在一定程度上克服了它的缺点。

所以选择方案二。

2 理论分析与计算2.1 炮弹路线规划计算2.2 炮弹发射所需能量计算四倍压整流后的输出电压：24V电压输入，经单相逆变+变压器+四倍压整流电路后输出约 200V 电压。

电容器电势能：,根据我们所采用的电容计算可得，电容器所存储的能量约为 20J 左右。

3 电路与程序设计3.1 硬件电路设计输入直流稳压电源，通过驱动电路驱动单相桥式逆变电路后接变压器，通过四倍压整流电路，即可得到数倍于输入电压的直流电压。

18 | 电子制作 2020年09月系统整体框图如图1所示。

其设计的基本思想为：采用STM32F103RBT6单片机作为系统的核心控制器，并通过单片机输出两路（周期20ms）PWM 信号实现舵机在水平和垂直方向上转动角度的控制。

对于指定距离和角度的发射目标，本系统采用人机交互系统，利用矩阵键盘输入电磁炮的中心轴偏离角度α和目标距离d，在基础上通过单片机编程计算出电磁炮的仰角并输出高电平触发电子开关发射炮弹，击中目标。

对于具有引导标识的靶标，首先采用单片机控制舵机，实现电磁炮水平方向的旋转，并带动OpenMV 摄像头完成引导标识的扫描，确定导引标识的角度；然后利用VL53L1X 测距模块测量电磁炮与导引标识的距离，并将该距离反馈给单片机用于计算垂直舵机的仰角；最后单片机输出高电平触发电子开关发射炮弹。

2 系统理论分析与计算■2.1 电磁炮弹道分析0 020cos 1sin 2S V t H V t gt θθ=⋅−=⋅−(1)推出电磁炮与环形靶中心位置的距离S 的表达式为： 20sin 2cos 2V S g θ =+(2)■2.2 能量计算根据炮弹初始动能表达式：()2/2E mV =，选取炮弹质量m=5g，只需计算出炮弹的速度，即可推出炮弹的初始动能。

而该动能即为电容经线圈放电损耗之后，炮弹飞至最远距离所需的能量。

炮弹速度计算如下：发射角θ=45°，云台和底座的高度H=16cm，根据模拟要求，设定S=3m，将以上条件带入公式（2）推得炮弹的最低初速度V=5.3m/s。

由此计算出炮弹的初始动能为0.07J。

若考虑空气阻力等其他因素www�ele169�com | 19电子电路设计与方案的影响，并要求线圈转化效率尽可能高，则选取提供能量的电容的容值为C=1000uF，耐压值为100V。

电容满电时所具有的能量为5J。

故理论上算得线圈最低能量转化效率为：/1E Q η==1.4%Q 。

而实际方案中，当电容充电值约为50V 时()21/2 1.25J Q CU ==′。