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模拟曲射电磁炮系统设计
发布日期:2020-01-08 新闻来源: 正文字号
河北农业大学机电工程学院  吕文兴 李永浩 马强 董世雄 李璟瑄 曹世龙 

   1 系统方案
   1.1技术路线
   根据题目要求,基本需要串口触摸屏,摄像头以及舵机等外设,用串口触摸屏输入指令选择系统需要执行的相关程序。驱动舵机控制电磁炮炮口指向在水平夹角及垂直仰角两个维度。摄像头用于捕捉红色标识,摄像头与水平维度舵机相连,当扫描到标识时,自动计算原点到标识的距离,用来精确发射弹丸,通过单片机控制摄像头和舵机,使炮筒朝着能目标位置移动。安装在云台上的模拟曲射炮由电容,由电感线圈,可控硅以及功率电阻等电子元件组成,由STM32F103RCT6单片机控制电容的充放电电路,用继电器与可控硅将单片机小功率电路来控制充放电的大功率电路。其中充电电路由逆变器将12V锂电池升到高压,并用限流二极管保护电路,其中电容放电,给电感线圈充电,让炮筒内铁质小球瞬间充磁,与围绕在炮管外壁的电感线圈互相排斥,完成发射。
   1.2方案论证 
   单片机的选择:采用STM32F103RCT6单片机。其能够利用定时器产生PWM信号输出,用于控制舵机的转动。同时有五个串口用于和串口屏以及摄像头通信,工作速度快,符合题目所需的控制要求。
摄像头的选择:选择pixy摄像头。可以简单的通过按键设置需要跟踪的物体。可同时记录多达7种不同颜色和100多个目标。图像通过USB可以实时传输。图像识别更为清晰。
舵机的选择:选择数字舵机。因为数字舵机在位置准确度方面要高于模拟舵机。
   2 理论分析与计算 
   电容充放电时,充满电和放完电的时间与电容和电阻乘积的大小有关,乘积越大,充放电时间越长。本文中充电采用200欧3W电阻和一个1000微法450V的电容,从接通开关到充满电时间t不到5秒;放电电路是电容不通过电阻直接向线圈放电,计算约0.2s,放电非常迅速,因此产生磁通的时间很短,对弹丸的加速时间也很短。线圈采用0.5mm的漆包线,匝数为1000匝,保证电路中的电流为3A。磁力大小与电流有关,根据欧姆定律,电阻一定时电压与电流成正比。同样的电流匝数越多磁力越大,所以磁力大小与电流大小有关,与导线的匝数有关。
   3 电磁炮程序设计
   通过串口触摸屏设置四个虚拟按键,每个按键代表一种模式。模式一:输入发射距离,启动发射炮;模式二:输入发射距离和水平偏移角度,启动发射炮;模式三:炮台转动自动寻找红色标识靶,当找到后启动发射炮;模式四:炮台往复运动,中途不得停顿,当寻找到目标后发射。当按下相应的模式模拟按键时,执行相应的动作。
   4 测试方法
   算数平均滤波:由于随机干扰(电磁干扰)随着数据样本的增加其统计平均值趋于零,故对被检测物理量进行连续多次采样,然后求其算数平均值作为有效采样值,就可以达到抑制随机平均滤波算法。连续采样次数越多,抑制随机干扰的效果越好。其中穿插冒泡排序法,用来去掉最大、最小值,让数据更加平稳。
   5 结论
   单片机通过输出PWM占空比来调节最上边舵机的仰角,在一定范围内,PWM值越小,仰角越大。不同PWM通过相同的电路与充电时间工作,并测出原点到炮弹打出的距离。电磁曲射炮发射距离的远近与充电时间、线圈匝数以及漆包线粗细,炮筒角度,输入电压均有关系。充电时间越长,发射出速度越大。漆包线越粗电阻越小,线圈匝数越少内阻越小,线圈匝数越多,电磁曲射炮拥有的磁能量越大,电磁曲射炮的发射动力越足。且线圈的缠绕越紧,炮管内产生的磁能越密集。同时发射的距离与炮筒的仰角也有关系,理论上45度为最远距离,实测60度最佳。
主管单位:河北省农业机械化管理局主办单位:河北省农业机械化研究所
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