基于TM4C123單片機的模擬電磁曲射炮設(shè)計與試驗

陳顏皓

摘 要：基于2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中H題“模擬電磁曲射炮”的任務(wù)要求，設(shè)計了模擬電磁炮自動控制系統(tǒng).系統(tǒng)以TI公司的TM4系列單片機作為電磁炮的控制核心，采用LDX-218數(shù)字舵機驅(qū)動云臺.可實現(xiàn)通過串口屏輸入射擊距離和偏轉(zhuǎn)角;通過激光測距結(jié)合OpenMV攝像頭的圖像處理捕獲引導(dǎo)標識從而對電磁炮進行智能控制.3個基本要求測試任務(wù)全部完成，3個發(fā)揮部分測試任務(wù)部分完成，作品獲得該次競賽江蘇省二等獎.

關(guān)鍵詞：電磁炮舵機云臺;TM4;OpenMV攝像頭

中圖分類號：TP27;O441 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1673-260X（2019）12-0045-04

0 引言

全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽（National Undergraduate Electronics Design Contest）（以下簡稱電賽），是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競賽之一，是面向大學(xué)生的群眾性科技活動，目的在于推動高等學(xué)校促進信息與電子類學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革[1].競賽的特點是與高等學(xué)校相關(guān)專業(yè)的課程體系和課程內(nèi)容改革密切結(jié)合，以推動其課程教學(xué)、教學(xué)改革和實驗室建設(shè)工作.2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽中，H題的任務(wù)是自行設(shè)計并制作一個模擬電磁曲射炮（以下簡稱電磁炮），炮管應(yīng)采用線圈炮，水平方位及垂直仰角方向可調(diào)節(jié)，用電磁力將彈丸射出，擊中目標環(huán)形靶和引導(dǎo)標識（以下簡稱標靶），發(fā)射周期不得超過30秒.電磁炮由直流穩(wěn)壓電源供電，電磁炮系統(tǒng)內(nèi)允許使用容性儲能元件.基礎(chǔ)要求是電磁炮能做到通過輸入設(shè)備設(shè)定目標的距離和或距離和水平偏轉(zhuǎn)角，并發(fā)射炮彈.發(fā)揮部分是：（1）一鍵啟動，電磁炮能在30s內(nèi)找到偏離中心-30°至30°的紅色標靶，測定距離并發(fā)射炮彈;（2）一鍵啟動，電磁炮能在10s內(nèi)找到偏離中心-30°至30°，距離250cm的紅色標靶，并在運動過程中發(fā)射炮彈.以完成任務(wù)的情況和擊中環(huán)形靶的環(huán)數(shù)得分.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

系統(tǒng)總體上分為兩部分：通過電磁繼電器控制的電磁炮充能和發(fā)射電路系統(tǒng)和單片機的云臺控制系統(tǒng)，在提高部分結(jié)合攝像頭圖像處理和激光測距模塊.

電磁炮充能系統(tǒng)控制由直流升壓模塊和大容量電容組成，用繼電器和可控硅實現(xiàn)單片機對電路的控制.

云臺控制系統(tǒng)由單片機控制兩個舵機，圖像處理對攝像頭返回的圖像做二值化操作并且捕獲紅色標靶的中心坐標，待云臺旋轉(zhuǎn)至正對靶心時，激光模塊測定標靶的距離并轉(zhuǎn)換為靶心的距離.通過大量計算和測量擬合出充電時間、發(fā)射角和落點的關(guān)系，并依據(jù)擬合的函數(shù)確定充電時間和發(fā)射角.

2 系統(tǒng)硬件選擇與電路設(shè)計

2.1 微處理器單元

采用TI公司的TM4系列單片機，32位ARMRCortexTM-M4 80 MHz處理器內(nèi)核，帶有系統(tǒng)定時器，集成嵌套向量中斷控制器，帶時鐘門控的喚醒中斷控制器，存儲器保護單元，IEEE754兼容的單精度浮點單元，嵌入式跟蹤宏和跟蹤端口，系統(tǒng)控制塊和Thumb-2指令集.

2.2 測距距離單元

采用tof激光傳感器[2].tof激光模塊可以實現(xiàn)3-60米誤差0.1cm的測量范圍和精度效果遠超一般激光模塊以及超聲波模塊.并且處理方式也比較簡單，讀取信息時直接返回距離而非AD值，缺點是成本較高.

2.3 圖像處理單元

采用OpenMV攝像頭.OpenMV通過mircopython編程，封裝極其完善，具有完整的圖像處理庫和單片機驅(qū)動庫.OpenMV的二值化處理的閾值是從LAB顏色空間確定的[3]，對環(huán)境光干擾的抗性較差，但是其配件能夠減小這種影響.并且在加裝長焦鏡頭后，靶標在OpenMV畫面中所占的畫幅明顯大于常見的樹莓派攝像頭.

2.4 顯示及輸入單元

采用3.5寸HMI串口屏.HMI串口屏具有完善的圖形化上位機，并且搭載stm32微處理器，可以進行一定程度的開發(fā)，比如邏輯處理、定時器等.3.5寸觸摸電容屏，既可以顯示系統(tǒng)當前參數(shù)，又可以完美代替矩陣鍵盤的輸入功能.

2.5 整體電路的設(shè)計

電路以TM4單片機為核心，從串口屏、激光測距模塊、OpenMV獲取信息，控制舵機云臺瞄準和發(fā)射電磁炮.

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)題目要求軟件部分主要實現(xiàn)串口屏的和OpenMV設(shè)置和顯示.

串口屏實現(xiàn)功能：選擇當前得題目;在基礎(chǔ)要求中，距離值d和旋轉(zhuǎn)角α;在發(fā)揮部分第三題，通過按鈕選擇指定數(shù)字.

OpenMV實現(xiàn)功能：在發(fā)揮部分第一題識別紅色標靶得靶心，返回云臺運動方向，并在靶心處于畫面中央時返回開火信息;在發(fā)揮部分第二題，計算提前量并返回開火信息.

4 系統(tǒng)理論分析與計算

Satapathy和McNab等根據(jù)8MJ電磁發(fā)射彈丸的實際外形尺寸建立了相應(yīng)的計算流體力學(xué) （Computational Fluid Dynamics， CFD）模型[4]，并利用此模型解算獲取不同馬赫數(shù)條件下的氣動參數(shù).

4.1 電磁炮電力電子系統(tǒng)的理論分析與計算

超級電容與電池儲能的明顯區(qū)別在于充、放電過程中發(fā)生的顯著端電壓變化[5].RC充電電路的時間常數(shù)τ=RC，充電時：

4.2 炮彈發(fā)射與彈道理論分析與計算

任何自由剛體的運動，都可以看作是剛體的質(zhì)心運動和圍繞質(zhì)心兩種運動的合成[6].已知電容C=680？滋F，炮彈直徑r=10mm，炮彈為鐵質(zhì)，炮口離地高度為h=15cm.

4.3 基于實際測試結(jié)果的曲線擬合

曲線擬合又稱作函數(shù)逼近，是求近似函數(shù)的一類數(shù)值方法[7].通過基于實際測試結(jié)果擬合的曲線，我們可以得到更切合實際的彈道參數(shù)，從而增加電磁炮發(fā)射的精準度.實際測試充滿電的情況下，發(fā)射角和落地距離的測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）.

由理論計算，可以得知在發(fā)射角處于5°-17°時，整體曲線趨向于二次函數(shù)[8].故使用MATLAB擬合的圖像如圖7.

函數(shù)表達式為：y=0.0043*x2-0.0064*x+1.9

4 實驗與分析

4.1 測試條件與儀器

測試時間：8月9日21：00;

測試地點：實驗室;

測試地點環(huán)境溫濕度：溫度30℃，濕度51%;

測試地點環(huán)境風(fēng)向：無.

4.2 測試方案

測試每道題的落點環(huán)數(shù).

基礎(chǔ)部分第一題測試5次，指定距離分別為250cm，240cm，280cm，270cm，250cm，結(jié)果分別為8環(huán)，9環(huán)，9環(huán)，10環(huán)，9環(huán);

基礎(chǔ)部分第二題測試5次，指定距離、角度分別為220cm、15°，250cm、13°，280cm、25°，270cm、-20°，260cm、-15°，結(jié)果分別為7環(huán)，9環(huán)，9環(huán)，8環(huán)，9環(huán);

發(fā)揮部分第一題，隨意擺放五個不同位置，結(jié)果分別為8環(huán)，6環(huán)，7環(huán)，8環(huán)，8環(huán);

發(fā)揮部分第二題，隨意擺放五個不同位置，結(jié)果分別為6環(huán)，7環(huán)，7環(huán)，8環(huán)，8環(huán);

4.3 實際比賽情況

實際比賽中，電磁炮系統(tǒng)完成了基本要求部分的全部任務(wù)，分別為9環(huán)和4環(huán);部分完成了發(fā)揮部分要求，獲得7環(huán)和4環(huán).最終獲得江蘇賽區(qū)二等獎，驗證了電磁炮自動控制系統(tǒng)設(shè)計的合理性.但是，由于在設(shè)計時沒有考慮到環(huán)形靶的厚度，在面對實際測試場地的帶有一定厚度的環(huán)形靶時，出現(xiàn)了精度大幅下降的情況，嚴重影響了實際測評的結(jié)果，需要進一步優(yōu)化.

5 結(jié)論與討論

該設(shè)計采用TM4C123作為主控芯片的微處理器，設(shè)計并制作了模擬電磁曲射炮自動控制系統(tǒng)，完成了個單元的硬件電路選型以及軟件的設(shè)計.較好地實現(xiàn)了圖像處理、距離測量、自動擊發(fā)等要求，達到預(yù)期設(shè)計目的.

參考文獻：

〔1〕廖杰，李旭，陳熵，劉成鑫，譚寧寧，巫幫錫.雙旋翼飛行器升降控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J/OL].機電工程技術(shù)，2019（08）：103-107[2019-09-15].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1522.TH.20190823. 1532.076.html.

〔2〕迎九.第二代FlightSense的ToF激光測距的工程設(shè)計考量[J].電子產(chǎn)品世界，2016，23（09）：21-24.

〔3〕鄒浩，郭雨婷，李佳盈，高雁鳳，許素安，陳錫愛.基于OPENMV的色彩引導(dǎo)機器人系統(tǒng)研究[J].科技資訊，2018，16（25）：85-86.

〔4〕Satapathy S S， McNab I R， Erengil M E， et al.Design of an 8-MJ integrated launch package[C]. Proceedings of 12th Symposium on Electromagnetic Launch Technology， 2005：405-410.

〔5〕張慧妍，程楠，景陽.超級電容器儲能系統(tǒng)的應(yīng)用研究綜述[J].電力電子技術(shù)，2011，45（12）：51-53.

〔6〕李湘平，魯軍勇，馮軍紅，李開，杜佩佩.電磁發(fā)射彈丸飛行彈道仿真[J].國防科技大學(xué)學(xué)報，2019（04）：25-32.

〔7〕趙久奮，唐勤洪，史紹琨.基于曲線擬合的通用仿真彈道設(shè)計方法研究[J].戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2019（03）：53-58.

〔8〕唐勇，費付聰，周延懷.自制演示型電磁炮及其相關(guān)研究[J].物理教師，2015，36（01）：47-48.