基于單片機(jī)的智能航天模型發(fā)射系統(tǒng)

文 上海市第八中學(xué) 李懿德

基于單片機(jī)的智能航天模型發(fā)射系統(tǒng)

文 上海市第八中學(xué) 李懿德

作為上海黃浦區(qū)青少年科技活動(dòng)中心航天模型組與機(jī)器人組的成員，我經(jīng)常參加航天模型競(jìng)賽，發(fā)現(xiàn)許多初學(xué)者在賽場(chǎng)上會(huì)因?yàn)樾睦砭o張出現(xiàn)手忙腳亂的現(xiàn)象。

在賽場(chǎng)上，一個(gè)細(xì)微的疏忽便會(huì)影響最終成績(jī)。如果有一套自動(dòng)化的系統(tǒng)使整套發(fā)射動(dòng)作方便、快捷，將會(huì)給初學(xué)者帶來(lái)許多益處。因此，有必要研制一套智能航天模型的發(fā)射系統(tǒng)。

通過(guò)查閱航天模型的相關(guān)文獻(xiàn)和資料，我發(fā)現(xiàn)目前航天模型發(fā)射的一般方法都是人工組裝發(fā)射架，然后用點(diǎn)火控制器手動(dòng)點(diǎn)燃模型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使火箭升空。點(diǎn)火時(shí)的風(fēng)速極大地影響了模型火箭的飛行高度，進(jìn)而影響滯空時(shí)間，如此重要的一點(diǎn)卻常常被選手遺忘。

另一種方法是將玩具車(chē)改裝成主要用于發(fā)射表演的航天模型發(fā)射車(chē)。目前還沒(méi)有一套用于競(jìng)賽、能自動(dòng)行駛至安全半徑、選擇發(fā)射窗口再實(shí)現(xiàn)發(fā)射架自動(dòng)起豎、點(diǎn)火的發(fā)射系統(tǒng)。

因此，基于單片機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一系統(tǒng)，具有實(shí)用價(jià)值。

一、設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對(duì)本研究的目的與意義，設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

1.該系統(tǒng)能按預(yù)定軌跡到達(dá)安全半徑內(nèi)的指定位置。

2.發(fā)射場(chǎng)實(shí)時(shí)風(fēng)速確定發(fā)射窗口。

3.起豎迅速、穩(wěn)定，點(diǎn)火及時(shí)。

4.各部件堅(jiān)固耐用。

5.控制電路能穩(wěn)定工作。

二、研究方法

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，基本思路是將AVR單片機(jī)的控制器用于控制整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)，板材制作發(fā)射系統(tǒng)本體，設(shè)計(jì)合適的發(fā)射架，并將市售的風(fēng)速傳感器加以改進(jìn)來(lái)測(cè)風(fēng)速。

本項(xiàng)目涉及機(jī)械工程、電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，研究?jī)?nèi)容包括硬件和軟件兩部分。由于該發(fā)射系統(tǒng)需要自動(dòng)點(diǎn)火，為防止單片機(jī)短暫失電導(dǎo)致電子電路工作紊亂而失控，點(diǎn)火電路需單獨(dú)設(shè)置。

主要設(shè)計(jì)工作包括硬件結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、風(fēng)速傳感器的選擇及控制流程設(shè)計(jì)。

1.硬件實(shí)現(xiàn)

（1）發(fā)射架的選型

模型火箭發(fā)射架主要有導(dǎo)桿式和導(dǎo)軌式兩種，若使用導(dǎo)桿式發(fā)射架則需在模型火箭外增加1至2個(gè)導(dǎo)向管，發(fā)射時(shí)，導(dǎo)向管套入發(fā)射架，可實(shí)現(xiàn)定向引導(dǎo)。

模型火箭高速飛行時(shí)，有導(dǎo)向管會(huì)增加不少阻力，而使用導(dǎo)軌式發(fā)射架則可以摒棄導(dǎo)向管，所以我決定選擇導(dǎo)軌式發(fā)射架。

（2）發(fā)射架起豎機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

在初樣研制階段，我采用直流電機(jī)加裝齒輪組使之帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)頂桿運(yùn)動(dòng)，完成了發(fā)射架的升降。

（3）風(fēng)速傳感器的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)比較市場(chǎng)上出售的風(fēng)速傳感器的適用范圍和價(jià)格，最后選定較便宜的小型風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器。

它采用光電門(mén)測(cè)速的方式，能有效測(cè)量實(shí)時(shí)風(fēng)速。為適應(yīng)該項(xiàng)目使用的單片機(jī)，我更換了光電門(mén)，增加了兩個(gè)電阻，并通過(guò)編程的方式使輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)。

（4）尋跡行駛功能的實(shí)現(xiàn)

采用一般搜救機(jī)器人上常見(jiàn)的灰度傳感器，使之能根據(jù)灰度沿地面的黑線行駛，并在標(biāo)記處停下。

（5）自動(dòng)點(diǎn)火的實(shí)現(xiàn)

利用發(fā)射架固定環(huán)上的長(zhǎng)螺絲，把模型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頭的兩條引線接在長(zhǎng)螺絲上，在發(fā)射架起豎至與地面垂直后長(zhǎng)螺絲與銅片接觸，干電池的正負(fù)極各接一塊銅片，這樣便形成了閉合回路，模型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)隨之點(diǎn)火，火箭升空。

2.實(shí)物樣機(jī)及測(cè)試

（1）樣機(jī)（初樣）模型如下圖所示：

（2）整機(jī)測(cè)試及總結(jié)

測(cè)試結(jié)果表明，樣機(jī)基本達(dá)到預(yù)期效果，各分系統(tǒng)均正常工作。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了以下不足：

1.兩車(chē)輪間距太大，轉(zhuǎn)向時(shí)極為不便。優(yōu)化方案：縮小兩輪間距。

2.發(fā)射架起豎時(shí)噪聲大，長(zhǎng)時(shí)間使用齒輪會(huì)打滑，絲杠帶動(dòng)螺母時(shí)頂桿和發(fā)射架甚至整個(gè)車(chē)身都產(chǎn)生共振，導(dǎo)致模型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頭脫落。優(yōu)化方案：拆除絲杠，縮短機(jī)器人本體兩板間銅柱長(zhǎng)度，改用大扭力伺服電機(jī)（舵機(jī)）及云臺(tái)組成單自由度云臺(tái)完成發(fā)射架起豎。

改進(jìn)后正樣如下圖：

起豎機(jī)構(gòu)還可用步進(jìn)電機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該起豎機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)而帶動(dòng)發(fā)射架轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可采用現(xiàn)有技術(shù)中的任何一種轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，只要能實(shí)現(xiàn)發(fā)射架的起豎即可。

控制器記錄用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖個(gè)數(shù)，根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)、預(yù)設(shè)角度和步進(jìn)電機(jī)的步距角之間的關(guān)系，產(chǎn)生所述觸發(fā)信號(hào)，控制器由該觸發(fā)信號(hào)控制而比較風(fēng)速傳感器感測(cè)的風(fēng)速信號(hào)和發(fā)射窗口。

三、總結(jié)與展望

長(zhǎng)久以來(lái)，我一直在航天模型的賽場(chǎng)上觀察各個(gè)年齡段參賽選手的臨場(chǎng)發(fā)揮。在國(guó)家級(jí)賽事的賽場(chǎng)上，要求選手在一小時(shí)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)制作出兩枚模型火箭并現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射，普通競(jìng)賽級(jí)發(fā)射裝置雖能達(dá)到效果，但組裝調(diào)試的過(guò)程非常麻煩，也容易出現(xiàn)失誤，對(duì)于剛做完作品的選手來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是雪上加霜，時(shí)間上的限制也極易造成心理緊張。

本課題的出發(fā)點(diǎn)就是運(yùn)用現(xiàn)代化的智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)航天模型發(fā)射的自動(dòng)化和簡(jiǎn)易化。

該智能發(fā)射系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了航天模型發(fā)射的自動(dòng)化，還能判讀發(fā)射場(chǎng)的實(shí)時(shí)風(fēng)速，選擇合適的發(fā)射時(shí)機(jī)。今后，我還將完善該系統(tǒng)，讓其實(shí)現(xiàn)在有風(fēng)條件下的自動(dòng)發(fā)射。

通過(guò)檢索，我發(fā)現(xiàn)遼寧省一所學(xué)校有通過(guò)手動(dòng)遙控方式調(diào)整發(fā)射架與地面的角度來(lái)達(dá)到目的的方案，而通過(guò)自控方式實(shí)現(xiàn)此功能的方法還沒(méi)有。我今后的改進(jìn)設(shè)想是，在機(jī)器人上裝一個(gè)風(fēng)向傳感器，把發(fā)射架起豎裝置的單自由度云臺(tái)改為雙舵機(jī)二自由度云臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射架的俯仰及左右水平旋轉(zhuǎn)，再通過(guò)編程控制，根據(jù)風(fēng)向和風(fēng)速確定發(fā)射架的偏轉(zhuǎn)角度和方向。

另外還可以結(jié)合河北科技大學(xué)最新研發(fā)的模型火箭發(fā)射同步計(jì)時(shí)裝置（通過(guò)專(zhuān)利檢索得知），利用雙路開(kāi)關(guān)的兩對(duì)觸點(diǎn)分別控制模型火箭和計(jì)時(shí)裝置的啟動(dòng)（現(xiàn)在主要的航天模型比賽都以滯空時(shí)間作為比賽成績(jī)），不僅簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，而且實(shí)現(xiàn)了模型火箭點(diǎn)火和計(jì)時(shí)的同步，徹底消除了人為因素對(duì)計(jì)時(shí)精度的影響，使比賽更加公平、公正且實(shí)現(xiàn)了航天模型競(jìng)賽的實(shí)質(zhì)自動(dòng)化。

通過(guò)此項(xiàng)目的研究，我意識(shí)到理論設(shè)想與實(shí)際落實(shí)之間的差距——絲杠設(shè)計(jì)源于理論上的“可行”，而當(dāng)產(chǎn)品做出后卻出現(xiàn)了種種意想不到的狀況，因此產(chǎn)生了“歸零”的處理。

在這個(gè)項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，我學(xué)到了許多制作方法。比如接插件與導(dǎo)線的連接、金屬端子壓線的方法等。這個(gè)項(xiàng)目的編程對(duì)我來(lái)說(shuō)也是一種挑戰(zhàn)，在這期間，我自學(xué)了控制程序的方法，并通過(guò)大量訓(xùn)練、實(shí)驗(yàn)，最終熟練掌握了一套程序，將其應(yīng)用到本項(xiàng)目中。

所以，只有當(dāng)創(chuàng)新的思維火花、扎實(shí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)和不懈的努力付出共存，才可能實(shí)現(xiàn)自己的夢(mèng)想！

（指導(dǎo)老師：趙金才）