智能掃描定位電磁炮設(shè)計

　　摘要：本文設(shè)計了一種智能掃描定位電磁炮，它的控制系統(tǒng)采用STM32F103ZET6作為主控芯片，以LM2596S降壓電源模塊作為舵機(jī)驅(qū)動芯片，主控制器通過PWM方式調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度，從而達(dá)到控制炮管運(yùn)動方向的目的，然后通過按鍵和電容充電激發(fā)磁場產(chǎn)生磁力進(jìn)行外部輸入彈丸飛行的水平距離，并能用0.96寸OLED屏實時顯示，最主要的是能夠一鍵啟動通過激光和攝像頭能夠自動掃描定位目標(biāo)。

　　本文源自科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2020(31):79-81.《科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新》雜志，于1997年經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)正式創(chuàng)刊，CN:23-1600/N，本刊在國內(nèi)外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強(qiáng)的特點，其中主要欄目有：工程科技、農(nóng)林科學(xué)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)論壇等。

　　根據(jù)最新消息電磁炮最快有可能在2025年實現(xiàn)上艦。電磁炮能上艦的關(guān)鍵因素除了武器本身以外，還需要先進(jìn)的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)。如果艦船不能產(chǎn)生強(qiáng)大的電力，不僅電磁炮的性能不穩(wěn)定，艦船的其他系統(tǒng)也會受到影響。有消息稱，電力綜合推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)工作已經(jīng)取得重要進(jìn)展，不久后就可能應(yīng)用到艦船上。未來055驅(qū)逐艦如果用上了電力推進(jìn)系統(tǒng)和電磁炮，海戰(zhàn)能力會大幅度提升，不僅可以打擊艦船，還能打擊飛機(jī)和導(dǎo)彈。因此我們的產(chǎn)品開發(fā)更有意義。我們采用按鍵控制主機(jī)，一鍵啟動，激光和攝像頭作用自動掃描定位目標(biāo)并擊中目標(biāo)。

　　1、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　智能掃描定位電磁炮采用中密度纖維板作為底座和激光攝像頭支架，螺釘支架的電路板，采用熱塑性塑料材料通過3D打印出炮管。

　　本系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、LM2596S、舵機(jī)、OLED屏共幾部分組成。OLED屏顯示距離和角度，舵機(jī)來調(diào)整角度。電磁炮由直流穩(wěn)壓電源供電，電磁炮系統(tǒng)內(nèi)使用容性儲能元件。按下按鍵磁炮被激發(fā)，向目標(biāo)發(fā)射。

　　智能掃描定位電磁炮的結(jié)構(gòu)主要包括十個模塊：單片機(jī)控制模塊、電源管理模塊、舵機(jī)模塊、LM2596S模塊、攝像模塊、激光模塊、螺線管模塊、電容模塊、按鍵控制模塊、顯示屏模塊。模塊實物圖如圖1，模塊系統(tǒng)圖如圖2。

　　圖1電磁炮實物圖

　　各個模塊的主要功能：

　　單片機(jī)控制模塊：智能掃描定位電磁炮采用STM32F103ZET6作為主控芯片，該芯片是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機(jī)系統(tǒng)，非常適合系統(tǒng)的設(shè)計。

　　電源管理模塊：我們采用12V直流穩(wěn)壓電源給控制系統(tǒng)和電容提供電源。

　　舵機(jī)模塊：選用兩個舵機(jī)，能夠調(diào)整電磁炮管上下運(yùn)動和左右運(yùn)動。通過系統(tǒng)程序控制還能快速調(diào)整變化，發(fā)射電磁炮。

　　LM2596S模塊：3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器(150KHZ)和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器，并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。

　　攝像模塊：我們采用兩個攝像頭的焦距不相同,這樣做最大的好處就是無需通過非數(shù)碼變焦的方式就可以掃描到距離較遠(yuǎn)的物體,并且實現(xiàn)物體放大的效果。雙攝像頭模塊還可以實現(xiàn)更加流暢的縮放變焦,其次,雙攝像頭使用兩個獨(dú)立的模塊,并且都擁有獨(dú)立的功能。

　　激光模塊：激光測距模塊,測量更精準(zhǔn),測距誤差小,量程可達(dá)350m,抗環(huán)境光,穩(wěn)定性高,可適用于很多領(lǐng)域。

　　螺線管模塊：我們采用精致銅線在電磁炮管上緊密排列20cm左右，繞5～6圈，留出正極和負(fù)極與電容正負(fù)極相連接。

　　電容模塊:我們采用電容模塊的作用就是激發(fā)磁場產(chǎn)生磁力發(fā)射電磁炮，對電容的要求也很高，我們采用470UF、400v的電容6個給螺線管提供穩(wěn)定電源。

　　按鍵控制模塊：我們的設(shè)計使用的按鍵比較多，我們在控制舵機(jī)啟動和方向上通過按鍵控制，在電容充放電時也采用按鍵控制，在電容激發(fā)螺線管產(chǎn)生磁力的時候也采用按鍵控制，我們使用按鍵的作用：一是方便操作;二是提供安全穩(wěn)定的環(huán)境，減少危險。

　　顯示屏模塊：顯示屏的作用是能夠顯示舵機(jī)變化的角度和電磁炮發(fā)射到達(dá)距離相對原點的水平距離。

　　圖2系統(tǒng)模塊

　　2、基本工作流程

　　智能掃描定位電磁炮由直流穩(wěn)壓主控電源為STM32F103ZET6控制芯片和LM2596S驅(qū)動芯片提供電源，程序下載到STM32F103ZET6控制芯片中，通過按鍵調(diào)整好角度和距離我們把目標(biāo)物放到指定位置，然后通過按鍵啟動按鈕開始發(fā)射電磁炮;還有一種方法是，一鍵啟動，自動掃描定位，通過按下開始按鈕，激光開始測距，攝像頭自動掃描定位，鎖定目標(biāo)，反饋給STM32F103ZET6控制芯片，控制芯片把信號傳給LM2596S驅(qū)動芯片，然后驅(qū)動舵機(jī)發(fā)生左右和上下方向調(diào)整，電容激發(fā)螺線管產(chǎn)生磁力，驅(qū)動電磁炮，當(dāng)鎖定目標(biāo)之后電磁炮自動發(fā)送擊中目標(biāo)。

　　圖3基本工作流程

　　3、系統(tǒng)理論分析與計算

　　3.1電磁炮參數(shù)計算

　　電容器的能量，是把電荷放到電容兩端的能量積累。

　　由機(jī)械能守恒和以上公式可得下面公式，即可計算炮彈發(fā)射初始速度。

　　3.2彈道分析

　　由設(shè)計要求我們知道電磁炮做斜上拋運(yùn)動。(如圖4所示)

　　圖4炮彈拋出運(yùn)動路徑

　　3.3能量計算

　　電容器的能量，是把電荷放到電容兩端的能量積累。

　　4、電路與程序設(shè)計

　　4.1電路設(shè)計與參數(shù)計算

　　圖5(a)為驅(qū)動線圈產(chǎn)生磁力驅(qū)動炮彈發(fā)射出去向目標(biāo)擊中，首先是通過25v穩(wěn)定電源給電容充電，當(dāng)電容充滿電之后，，然后把電量給線圈驅(qū)動線圈產(chǎn)生磁力之后，當(dāng)炮管中有炮彈之后就可以發(fā)射炮彈，我們通過開關(guān)按鍵控制既穩(wěn)定又安全。圖5(b)電路圖實現(xiàn)的功能是通過兩個舵機(jī)來實現(xiàn)炮管的上下左右運(yùn)動，我們利用直角坐標(biāo)形式，給定x,y的初始值，利用矩陣的形式找到所要鎖定目標(biāo)的點這樣能夠準(zhǔn)確找到要求的點，即可鎖定目標(biāo)。

　　圖5線圈驅(qū)動和舵機(jī)驅(qū)動模塊

　　4.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制算法與驅(qū)動

　　通過獨(dú)立按鍵輸入距離角度，再一鍵確定即可。首先通過圖像處理技術(shù)，將采集的圖像目標(biāo)信息搜索出，根據(jù)圖像信息計算目標(biāo)距離，將計算的目標(biāo)距離和角度轉(zhuǎn)換為三維空間的坐標(biāo)，電磁炮會根據(jù)距離選擇充能時間，并且炮臺會根據(jù)坐標(biāo)計算云臺運(yùn)行的角度，最終鎖定目標(biāo)，發(fā)射炮彈。

　　電磁炮程序流程及核心模塊設(shè)計包括程序功能描述和程序設(shè)計思路。程序功能描述描述如下：根據(jù)設(shè)計要求軟件部分主要實現(xiàn)的按鍵設(shè)置和顯示，鍵盤實現(xiàn)設(shè)置舵機(jī)上下左右轉(zhuǎn)動方向，屏幕顯示舵機(jī)相對原點偏轉(zhuǎn)角度和距離。程序設(shè)計思路包括根據(jù)設(shè)計要求程序主要實現(xiàn)功能是把角度和距離顯示在屏幕上面和驅(qū)動舵機(jī)實現(xiàn)角度變化。最主要的是通過激光和攝像頭實現(xiàn)一鍵按下，即可自動掃描定位目標(biāo)的功能。

　　5、結(jié)束語

　　我們設(shè)計的產(chǎn)品目前運(yùn)用到生活中還是一片空白，我們還有很大的發(fā)展空間，我們的設(shè)計產(chǎn)品主要運(yùn)用在盲區(qū)尋找物體，產(chǎn)品比較輕巧可以折疊存放，當(dāng)我們的手鏈掉到草地上時，我們可以通過智能掃描定位電磁炮掃描定位目標(biāo)幫助我們找到丟失的物品，還可以運(yùn)用到農(nóng)產(chǎn)品的除蟲上，現(xiàn)在許多農(nóng)產(chǎn)品都使用農(nóng)藥，我們的產(chǎn)品可以幫助除蟲，給人們提供天然無公害的農(nóng)產(chǎn)品，我們的設(shè)計產(chǎn)品還能夠運(yùn)用到軍事上，目前還在突破中，希望未來能到當(dāng)更廣泛的運(yùn)用。

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