模擬線圈型電磁曲射炮設(shè)計(jì)

張雨莎

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶400074）

1 系統(tǒng)方案

1.1 技術(shù)路線

電磁炮發(fā)射系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別、精準(zhǔn)定位和電磁驅(qū)動(dòng)三個(gè)功能。利用openmv 攝像頭系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行圖像二值化閾值設(shè)置，運(yùn)用色塊識(shí)別blob 函數(shù)采集選定目標(biāo)顏色，完成目標(biāo)識(shí)別功能。然后通過(guò)單片機(jī)處理系統(tǒng)將圖像位置信息轉(zhuǎn)化為像素坐標(biāo)，比較反饋?zhàn)鴺?biāo)與預(yù)設(shè)坐標(biāo)的差值，將此差值通過(guò)PID算法轉(zhuǎn)化為云臺(tái)系統(tǒng)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，同時(shí)激光測(cè)距反饋距離數(shù)據(jù)，并對(duì)拋體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傾角計(jì)算和多項(xiàng)式擬合運(yùn)動(dòng)軌跡分析，最終確定發(fā)射角度。再運(yùn)用電磁感應(yīng)理論、單脈沖工作電流、交直流變換及電容器儲(chǔ)能特性等理論知識(shí)，結(jié)合定位信息實(shí)現(xiàn)彈丸發(fā)射。

圖1 技術(shù)路線框圖

1.2 方案選擇與論證

1.2.1 儲(chǔ)能電容器的選擇與論證

方案一：選擇3 個(gè)100F 2.7V 的超級(jí)電容串聯(lián)。電容容量過(guò)大，我們所能提供的電壓過(guò)低，導(dǎo)致放電電流過(guò)慢，產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度不夠，彈丸無(wú)法彈出。

方案二：選擇2 個(gè)100uF 450V 的普通電容并聯(lián)。電容容量較為合適，同時(shí)使用逆變器后，電壓壓值足夠，能夠產(chǎn)生較大的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)比較論證，采用方案二。

1.2.2 儲(chǔ)能電容器充放電切換模塊的選擇與論證

方案一：利用普通家用開(kāi)關(guān)切換。通過(guò)接入普通的家用耐高壓開(kāi)關(guān)，人工秒表計(jì)時(shí)，手動(dòng)操控開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟與關(guān)閉，達(dá)到儲(chǔ)能電容器充放電的切換。該方案由于人為手動(dòng)控制，斷電時(shí)間把握不精準(zhǔn)，同時(shí)高壓情況下存在一定危險(xiǎn)性。

方案二：利用繼電器切換。只要在線圈兩端加上一定的電壓，流過(guò)電流，產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵在電磁力吸引的作用下動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，使得動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)釋放。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。

方案三：利用可控硅切換。利用可控硅的導(dǎo)通特性來(lái)控制，當(dāng)超級(jí)電容儲(chǔ)蓄電壓達(dá)到可控硅的導(dǎo)通電壓后，可控硅打開(kāi)，導(dǎo)致電路短路，從而使發(fā)射裝置接入電路，電容放電，彈丸射出。

考慮到本設(shè)計(jì)中所使用的高電壓供電以及元件模塊的耐壓值，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)論證，選擇方案三。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)12V 直流電源模塊經(jīng)過(guò)兩個(gè)穩(wěn)壓模塊電路分別給STM32 單片機(jī)控制系統(tǒng)和發(fā)射裝置供電。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)激光測(cè)距和攝像頭采集的信息反饋，以鍵盤(pán)控制的方式確定云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。12V 直流電壓在轉(zhuǎn)換器工作條件下逆變?yōu)?20V 交流電壓，三個(gè)超級(jí)電容并聯(lián)作為儲(chǔ)能容器，驅(qū)動(dòng)線圈和發(fā)射體運(yùn)動(dòng)。充電期間，由單片機(jī)定時(shí)控制可控硅的導(dǎo)通，確保準(zhǔn)確斷電的效果。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

2.2.1 充電電路

充電回路包括充電電路、穩(wěn)壓電路和電容器組。通過(guò)逆變器將12V 直流電源轉(zhuǎn)換為220V 交流電源，在短時(shí)間內(nèi)可供超級(jí)電容迅速充電。

2.2.2 放電電路

電容器組，線圈、開(kāi)關(guān)和起連接作用的導(dǎo)線共同組成放電回路。電磁發(fā)射過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)瞬間放電的過(guò)程，這里使用了可控硅作為放電回路的控制開(kāi)關(guān)。由于電感總是會(huì)存在于電路中, 因此將電容和電阻串聯(lián)起來(lái)就會(huì)有阻尼的效果, 它能夠避免R-L-C 在放電過(guò)程中,因?yàn)檎袷幍年P(guān)系使電容器發(fā)生的過(guò)電壓損壞；并且可以避免電容因?yàn)榉烹婋娏鬟^(guò)大,而損壞可控硅（如圖3）。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主要算法與驅(qū)動(dòng)

3.1.1 色塊識(shí)別

Openmv 中通過(guò)find_blobs 函數(shù)可以找到色塊，函數(shù)調(diào)用如下： image.find_blobs (thresholds,roi=Auto, x_stride=2, y_stride=1, invert=False,area_threshold=10, pixels_threshold=10, merge=False,margin=0, threshold_cb=None, merge_cb=None) 通過(guò)參數(shù)thresholds 設(shè)置顏色閾值，若只需單種顏色，僅需要一個(gè)顏色閾值；想要多種顏色閾值，需要多個(gè)顏色閾值。在返回的色塊對(duì)象blob 可以調(diào)用code 方法，來(lái)判斷色塊顏色。

3.1.2 PID 算法

PID 控制算法作為閉環(huán)控制算法的基礎(chǔ)，當(dāng)不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID 控制技術(shù)。在單回路控制系統(tǒng)中，由于擾動(dòng)作用使被控參數(shù)偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差。自動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)單元將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較之后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、微分、積分運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。

3.2 程序功能描述與設(shè)計(jì)（如圖4）

程序初始化完成后，分別針對(duì)不同要求進(jìn)行模式選擇。模式一通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置參數(shù)，云臺(tái)自動(dòng)運(yùn)行并調(diào)整角度后，觸發(fā)彈丸發(fā)射，實(shí)現(xiàn)彈丸發(fā)射的基本要求。模式二通過(guò)自動(dòng)運(yùn)行，完成對(duì)目標(biāo)對(duì)象的搜索，利用激光測(cè)距調(diào)整角度后發(fā)射彈丸，模式三則是攝像頭通過(guò)水平旋轉(zhuǎn)一定角度，直至搜索到目標(biāo)后完成發(fā)射，實(shí)現(xiàn)另兩項(xiàng)基本要求。

4 測(cè)試方案與結(jié)果

4.1 測(cè)試方案與數(shù)據(jù)

4.1.1 測(cè)試方案：在平地上粘貼畫(huà)有刻度線的A4 白紙，刻度線范圍從2 米至3 米，期間每10 厘米畫(huà)一條線。在A4 紙前端立有紅色環(huán)形靶。發(fā)射管道在配備有云臺(tái)、攝像頭的情況下，自動(dòng)調(diào)整角度，發(fā)射彈丸。記錄PWM與射程數(shù)據(jù)于表1。

4.1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

表1 數(shù)據(jù)記錄表

由上表數(shù)據(jù)可知，當(dāng)PWM 占空比設(shè)置為1700-1725 之間能基本滿足射程2.5 米的要求。

4.2 結(jié)果分析

圖3 充放電電路原理圖

圖4 程序流程圖

通過(guò)多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，利用數(shù)據(jù)建立函數(shù)分析，可得：在12V 直流電源經(jīng)逆變器變?yōu)?20V 交流電源的供電系統(tǒng)下，充電10s，PWM占空比設(shè)置在1700-1725 之間，平射射程至少2.5米的準(zhǔn)備條件下，彈丸發(fā)射更精準(zhǔn)。

結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)模擬電磁曲射炮，實(shí)現(xiàn)炮管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(biāo)環(huán)形靶。系統(tǒng)主要包括電源模塊、充放電回路、發(fā)射裝置、攝像頭模塊、激光測(cè)距模塊，利用色塊識(shí)別、PID 控制算法、交直流變換、電磁感應(yīng)等理論算法可實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、精準(zhǔn)定位以及電磁驅(qū)動(dòng)的功能。