電磁曲射炮設(shè)計實踐教學(xué)指導(dǎo)

高海濤，官邦貴，丁雨，王帥

（安徽科技學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院，蚌埠233030）

0 引言

隨著全球特別是我國經(jīng)濟(jì)不斷展，社會需求和經(jīng)濟(jì)更新促使著高校教育發(fā)生革新，辦學(xué)定位逐漸開始細(xì)化，如與研究型大學(xué)相比，定位為應(yīng)用型大學(xué)的高校，其辦學(xué)目標(biāo)是為社會培養(yǎng)大量優(yōu)秀應(yīng)用型人才，也就要求高校在人才培養(yǎng)過程更加重視學(xué)生的應(yīng)用實踐能力的培養(yǎng)。然而，在實際教學(xué)實踐過程中，仍然存在著課程安排理論與實踐脫節(jié)、實踐課程安排不科學(xué)、實踐教學(xué)質(zhì)量低、人才培養(yǎng)方案有實踐形無實踐魂等一系列問題[1-6]。本文以案例式實踐教學(xué)指導(dǎo)為題，對培養(yǎng)大學(xué)生綜合實踐素質(zhì)的有效方式進(jìn)行探索性研究與討論。

電磁炮是利用物理學(xué)中運(yùn)動電荷或載流導(dǎo)體在磁場中受到電磁力作用的基本原理來加速彈丸的裝置，具有彈速快、隱蔽性強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，是軍事武器領(lǐng)域的重要研究對象[7-8]。本文實踐教學(xué)任務(wù)是讓學(xué)生利用所學(xué)電路設(shè)計、軟件編程、硬件實現(xiàn)等知識，靈活采用電磁線圈、舵機(jī)、微控制器、攝像頭、電源、開關(guān)等元器件搭建一電磁炮模擬發(fā)射系統(tǒng)。能夠?qū)崿F(xiàn)對靶點(diǎn)自動掃描、自動調(diào)整炮管和發(fā)射功能。該實踐教學(xué)的重點(diǎn)并不在于讓學(xué)生實現(xiàn)作品功能多么完善、參數(shù)調(diào)試多么優(yōu)秀等方面，而在于通過科學(xué)的指導(dǎo)，能夠讓學(xué)生面對一個實際問題，如何綜合利用所學(xué)知識解決問題的方法，培養(yǎng)其獨(dú)立自主的思維習(xí)慣、善于動手解決問題，進(jìn)而提高學(xué)生的應(yīng)用能力。

1 任務(wù)實現(xiàn)方案指導(dǎo)

1.1 設(shè)計目標(biāo)分析

學(xué)生拿到實踐任務(wù)之后，首先應(yīng)該要讓學(xué)生學(xué)會分析題目要求，將目標(biāo)進(jìn)行分層次分解，最后將分模塊連接互通，待理清設(shè)計思路之后再進(jìn)行具體工作，才能順利完成設(shè)計。在電磁炮模擬裝置設(shè)計中可以分析出三個大體要求，即系統(tǒng)能夠自動識別目標(biāo)、自動對準(zhǔn)、自動發(fā)射。可以確定大體的研究思路：通過控制云臺的運(yùn)動，使炮管水在平方位及垂直仰角方向上實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，用電磁力將彈丸射出，擊中目標(biāo)環(huán)形靶；由于目標(biāo)空間分布較大，因此可以選用攝像頭作為目標(biāo)識別的傳感器；炮彈的發(fā)射及發(fā)射距離可以通過控制發(fā)射電磁力來實現(xiàn)可控發(fā)射。系統(tǒng)大體控制思路可以畫出一個如圖1 所示的框圖表示，關(guān)系直觀明了，其硬件實現(xiàn)即可以按照這個思路進(jìn)行組織與設(shè)計。

圖1 電磁曲射炮控制系統(tǒng)設(shè)計思路

具體的工作過程為：通過攝像頭采集靶點(diǎn)或引導(dǎo)標(biāo)識的圖像信息，并對其進(jìn)行處理與計算，獲取標(biāo)識相對于電磁炮的位置，將其與給定量進(jìn)行對比，由控制器計算出控制量，通過控制云臺來來調(diào)整電磁炮姿態(tài)，實現(xiàn)自動瞄準(zhǔn)和炮彈自動發(fā)射。

1.2 設(shè)計方案選擇

設(shè)計方案的選擇主要是指系統(tǒng)軟硬件中元器件、編程語言、調(diào)試環(huán)境方面的選擇。系統(tǒng)總體設(shè)計思路理清之后需要學(xué)生學(xué)會根據(jù)設(shè)計目標(biāo)要求辯證地選擇具體模塊，要綜合考慮性能、價格、體積、易獲得性、設(shè)計者自身知識結(jié)構(gòu)等，選出最適合自己或團(tuán)隊的元件。如電磁曲射炮模擬裝置控制器和炮彈的選擇可以對比選擇。

主控芯片選擇論證：①采用51 單片機(jī)作為控制器。51 單片機(jī)是八位的單片機(jī)，在圖像處理等方面速度跟不上，所以棄用。②采用FPGA 作為系統(tǒng)的控制器。FPGA 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。但因其價格較高致使系統(tǒng)成本相應(yīng)增加，其優(yōu)勢得不到完美體現(xiàn)。③采用ARM 處理器。STM32f103R8T6 處理器基于Cortex-M3 內(nèi)核，集成了256K 程序存儲器、3 個定時器、51 個I/O 口等資源；MK66FX1M0VLQ18 處理器，功能強(qiáng)大、具有高性能的模擬技術(shù)和豐富的外圍模塊，與STM32 相比，F(xiàn)lash 容量高達(dá)1080k，多達(dá)144 個I/O 口，標(biāo)準(zhǔn)頻率高達(dá)180M，同時還支持FSMC 等豐富的功能，可擴(kuò)展性強(qiáng)，開發(fā)環(huán)境使操作簡便，低功耗效果好，價格適中、滿足設(shè)計技術(shù)需求，且符合開發(fā)學(xué)生團(tuán)隊知識結(jié)構(gòu)。通過對比論證，可以選擇MK66FX1M0VLQ18 處理器作為系統(tǒng)的主控制器和信號圖像信號處理單元。

電磁炮炮彈選擇論證：①使用圓珠炮彈。圓珠炮彈占炮管面積百分比大，每次射出動能一定時，炮彈受力均勻故炮彈軌跡一致。②使用柱體炮彈。體積小，質(zhì)量輕，只需很小的作用力便可射出很遠(yuǎn)，但圓柱炮彈占炮管面積百分比小，每次射出會造成一定誤差使炮彈軌跡不一致。圓珠炮彈雖然射出軌跡穩(wěn)定，但電容充電時間長，對電路設(shè)計提出較高要求，結(jié)合功能要求綜合考慮，可以選擇柱體炮彈。

2 系統(tǒng)設(shè)計實踐

2.1 系統(tǒng)應(yīng)用對象

對于在校學(xué)生來說，學(xué)習(xí)的專業(yè)理論和實踐知識基本都是經(jīng)典的，但社會需求技術(shù)領(lǐng)域卻分布十分廣泛，甚至是跨領(lǐng)域，對學(xué)生來說有些應(yīng)用對象是陌生的。因此指導(dǎo)教師在實踐教學(xué)過程中需要指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、消化吸收陌生領(lǐng)域技術(shù)。如電磁炮的工作原理在課堂上一般不會介紹，如圖2 所示，需要學(xué)生查閱相關(guān)技術(shù)資料，通過自己掌握的物理知識消化吸收。在此過程中學(xué)生最容易氣餒，但這也是未來從事技術(shù)工作必須經(jīng)歷的，讓學(xué)生迎難而上，克服怕生的心理恐懼感。

圖2 電磁炮工作原理

圖2（a）中，當(dāng)固定線圈接通電源時，所產(chǎn)生的磁場與彈丸上的可動線圈上的感應(yīng)電流相互作用，產(chǎn)生洛倫茲力，推動彈丸加速射出，彈丸所受的推力可由式（1）表示：

其中，F(xiàn) 為洛倫茲力、If為固定線圈中的電流強(qiáng)度、Ip為彈丸線圈中的電流強(qiáng)度、M 為固定與可動線圈的互感、dM/dx 為互感梯度。由式（1）可知，固定線圈中的電流強(qiáng)度越大，彈丸線圈中的感應(yīng)電流就越強(qiáng)，彈丸所受到的電磁力就越大。圖2（b）為電磁炮驅(qū)動電路，電感線圈與整流二極管和三極管組成單管自激震蕩電路，將低壓直流電逆變?yōu)楦邏航涣麟?，?jīng)整流二極管給儲能電容充電。

2.2 軟硬件設(shè)計

（1）硬件系統(tǒng)

進(jìn)一步，將上市公司總體樣本按國有企業(yè)和非國有企業(yè)分組進(jìn)行回歸，結(jié)果如表4所示。無論在投資過度的樣本組中還是在投資不足的樣本組中，國有企業(yè)樣本組的Ece_L1回歸系數(shù)絕對值均明顯大于非國有企業(yè)樣本組，P值也證實了這種差異的顯著性，說明國有企業(yè)的投資效率對信心的敏感性更強(qiáng)，這證明假說1c成立。這意味著企業(yè)家信心指數(shù)的變動對于國有企業(yè)投資效率的影響更大，信心增長更易加劇國有企業(yè)的過度投資，也更易緩解國有企業(yè)投資不足問題。

硬件系統(tǒng)需綜合考慮，整體布局。如主控板需要給攝像頭、舵機(jī)、電磁炮電容等外圍器件供電，因此主板需要良好的穩(wěn)壓功能。穩(wěn)壓芯片有線性穩(wěn)壓芯片和開關(guān)穩(wěn)壓芯片，各有優(yōu)劣，開關(guān)穩(wěn)壓效率高重量輕，輸出功率大，但輸出噪聲大，線性穩(wěn)壓源輸入電壓低但是反應(yīng)速度快，而且穩(wěn)定，綜合考慮使用兩者結(jié)合方式去穩(wěn)壓；攝像頭與舵機(jī)采用LM1117-5v 去穩(wěn)壓，電磁炮電容使用LM2596ADJ 穩(wěn)壓。

（2）位置檢測與系統(tǒng)控制

系統(tǒng)采用攝像頭MT9V032 模塊檢測標(biāo)靶實時位置，輸出量為標(biāo)靶距云臺距離與標(biāo)靶偏離中心軸線角度。其原理是通過MT9V032 檢測回來的物體不同光線強(qiáng)度，分辨引導(dǎo)標(biāo)志顏色與周圍物體顏色形成強(qiáng)烈對比反差，然后將RGB 圖先進(jìn)性灰度化，再設(shè)置閾值將圖像二值化，并濾除噪聲，計算出標(biāo)靶位置。信息采集流程如圖3 所示。

圖3 信息采集流程

系統(tǒng)控制算法采用PID 控制，設(shè)定標(biāo)靶位置作為期望值，攝像頭檢測的實際標(biāo)靶位置為測量值，兩者之差作為PID 調(diào)節(jié)參數(shù)；隨著標(biāo)靶的位置改變，攝像頭采集的數(shù)據(jù)通過PID 控制公式計算出云臺控制系數(shù)，調(diào)節(jié)PWM 占空比來調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)角來改變炮口姿態(tài)，緊盯引導(dǎo)標(biāo)志；由于炮彈的受力大小直接由云臺角度和電容充電時間決定，通過電磁炮充電時間、標(biāo)靶角度，利用PI 控制器實現(xiàn)電磁炮發(fā)射時的炮彈動能大小控制，標(biāo)靶距離以及角度直接看作控制環(huán)的反饋值，使電磁炮炮彈擊中靶標(biāo)?？刂品椒鞒炭捎蓤D4 框圖描述。

圖4 控制方法流程

3 系統(tǒng)集成、調(diào)試與文案撰寫

3.1 系統(tǒng)集成與調(diào)試

實踐設(shè)計課程技術(shù)層面的最后一步是系統(tǒng)集成和調(diào)試，即將軟硬件系統(tǒng)組合成整機(jī)，并加以調(diào)試，使系統(tǒng)運(yùn)作正常，雖然是最后一步，但也是最關(guān)鍵和最容易出現(xiàn)問題的一步，前期的嚴(yán)密論證工作可以減少出問題的概率。系統(tǒng)調(diào)試可以分塊進(jìn)行，將軟硬件分成各個功能模塊，逐級調(diào)試，碰到問題及時解決，待各個模塊均調(diào)試成功，整機(jī)測試更容易獲得成功，避免了一開始進(jìn)行整體聯(lián)動調(diào)試出現(xiàn)故障后，故障點(diǎn)難尋的局面。

圖5 電磁曲射炮模擬實物圖

調(diào)試中的遇到的細(xì)節(jié)問題各式各樣，如學(xué)生在搭載機(jī)械結(jié)構(gòu)的時候遇到了問題，拆了很多次，總是出現(xiàn)云臺和電磁炮的高度與距離等不匹配情況，在一次次的整改和測試過程中，最終實現(xiàn)瞄準(zhǔn)射擊功能；硬件設(shè)計上，使用的電路板的接口和攝像頭的接口不匹配，調(diào)試時學(xué)生外加了杜邦線，另外，為了使控制線圈電壓穩(wěn)

定輸出，又增加了穩(wěn)壓模塊；在軟件的調(diào)試過程中也出現(xiàn)了很多的問題，如攝像頭的聚焦不理想問題，經(jīng)過多角度的調(diào)節(jié)最終達(dá)到理想效果。在細(xì)節(jié)性調(diào)試過程中問題有時復(fù)雜繁瑣，需要培養(yǎng)學(xué)生的耐心和專注性。

3.2 技術(shù)文案

技術(shù)文案的書寫在實踐教學(xué)過程中通常是被忽略的重要內(nèi)容。技術(shù)文案是對整個項目或產(chǎn)品的技術(shù)性描述，在企業(yè)中也稱為技術(shù)文檔，根據(jù)不同的受眾對象又可以細(xì)分為研發(fā)文檔和客戶文檔，書寫合格的技術(shù)文檔是企業(yè)對研發(fā)工程師的重要要求。指導(dǎo)教師在指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行專業(yè)實踐時，也應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)如何書寫技術(shù)文檔?？梢詮脑O(shè)計報告升華為技術(shù)文檔開始，慢慢培養(yǎng)學(xué)生書寫技術(shù)文檔的能力和習(xí)慣，為將來從事技術(shù)開發(fā)打好基礎(chǔ)。教學(xué)實踐中除練習(xí)書寫技術(shù)文檔之外，也可以讓學(xué)生總結(jié)一下設(shè)計后的感想，加深課題認(rèn)識和理解。

4 結(jié)語

實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)技術(shù)應(yīng)用能力的有效途徑，通過針對目標(biāo)的設(shè)計實踐活動能夠直觀地加深學(xué)生對所學(xué)理論知識的理解，提高學(xué)習(xí)的趣味性性，培養(yǎng)獨(dú)立思考能力、團(tuán)隊協(xié)作意識。在此過程中，制定堅實科學(xué)的人才培養(yǎng)方案是實踐教學(xué)成功的前提，指導(dǎo)老師的實踐教學(xué)方法是核心。由于實踐教學(xué)涉及內(nèi)容較多，本文以電磁曲射炮的模擬裝置設(shè)計為例，針對具體問題探討了部分實踐教學(xué)過程中如何培養(yǎng)和提高學(xué)生應(yīng)用實踐能力的方法。探討對象從目標(biāo)分析、方案選擇、系統(tǒng)對象攻克、軟硬件設(shè)計到技術(shù)文案書寫，貫穿項目的整個設(shè)計流程。