2019年H题：模拟电磁曲射炮-563353A - 嘉立创EDA开源硬件平台

## 简述 电磁曲射炮的基本原理是利用驱动线圈的铁磁磁路磁阻的变化吸引铁芯运动来加速磁性弹丸。本系统以STM32F042f6p6主控板为核心控制器，设计了相匹配的储能电容组、电磁线圈组成的模拟电磁曲射炮装置，该装置为10~60V可调可控低压电磁炮版本，通过传感器对超声波US-100与openMV图像处理模块得到的数据进行整合，基本顺利实现定距、定角发射及自搜寻炮击等功能。 在19年电磁炮设计基础上，重新设计机械结构和控制系统，制作了一款全自动模拟电磁曲射炮，拥有自动装填、无线感知、自动瞄准等功能。控制终端可使用手机APP，通过HC-05蓝牙模块无线控制电磁炮。 solikworks模型图：  最终实物图：  ## 题目分析 2019年的H题电磁炮可以说是一个综合题，涉及电路、模电、控制。最难点在于电磁炮发射的稳定性以及准确性。稳定性设计关键在于mos管或继电器的选型（然而由于当时经常烧mos，为了稳定性，最终我19年比赛使用的是用MG996舵机控制机械开关），而准确性则需要注意的是枪管的设计，尽量不要让子弹在枪管里面碰撞，当然，还要保证电容电压的稳定（事实证明落点不稳定在于电解电容漏电导致发射电压波动）。 下图为本人19年做的电磁炮实物：  ## 系统方案 （一）**电磁曲射炮的结构和原理** 1、电磁曲射炮的结构 电磁曲射炮根据其构造可分为电磁轨道炮、电磁线圈炮、电磁重接炮3种。我们选用电磁线圈炮的设计。我们的电磁线圈炮由绕有螺线管的发射炮筒、电容、开关控制系统和磁性弹丸组成，其基础结构为LC回路。  2、电磁曲射炮的工作原理 磁阻线圈炮是利用驱动线圈的铁磁磁路磁阻的变化吸引铁芯运动来加速磁性弹丸。我们设计的电磁炮属于单级磁阻式线圈炮，闭合发射开关后，电容器作为脉冲直流电源对线圈放电，电容瞬间放电产生极大的电流，电流经过线圈产生强磁场，从而使弹丸瞬时加速，依靠惯性射出炮筒。 （二）**方案论证** 1、稳压电源模块的论证与选择 题目说明可使用直流稳压电源供电，但经综合考虑，选用3s锂电池为装置供电。 2、电容储能模块的论证与选择 方案1：选用超级电容（100F，2.5V，12个串联）作为储能元件对线圈放电。超级电容容值大，能承受多次电压变化，放电稳定，但是电压小，不能提供足够大的脉冲电流。 方案2：选用电解电容（4700μF，63V，8个相同的电容器并联，共37.6mF）对线圈放电。电解电容耐压高，能提供足够大的脉冲电流，但容值小，较易损坏。 根据前期测试结果，选用方案2。 3、开关控制系统的论证与选择 为了实现更稳定精准的“一键启动”系统和脉冲电流对线圈放电，我们选用STM32F042f6p6主控板。在此基础上我们讨论电容充电及放电电路的开关选择方案。 方案1：两部分电路都选用MOS管作为开关。MOS管的额定功率较小，且两部分必须共地连接。 方案2：两部分电路都选用继电器作为开关。但继电器的可用电流区间较小。 综合考虑，MOS管较小，方便焊接与PCB，同时电容对螺线圈放电电路部分的电流瞬时值高达27A，在此使用MOS电子开关作为开关控制系统主要器件。 （三）**最终系统方案** 如下框图：  ## 系统理论分析与计算 （一） **电磁炮参数计算** 在设计过程中仅考虑电磁力对电磁炮弹丸运动的影响，忽略炮筒中的空气阻力及导轨摩擦力等影响。根据电磁感应原理可知，平均磁感应强度B可表示为：  （二）**弹道分析** 将电磁炮的弹丸轨迹看做考虑空气阻力的斜抛运动，由物理知识可知：  故采集到距离数据后即可得出控制云台所需的角度。 （三） **能量计算** 由电容储能公式： 当电压为40V时，得所选用电容组的理论储能为30.8J。 ## 机械结构设计 整体框图  为实现自动装填，本系统设计了一个弹仓用于储存弹丸，同时设计了舵机拨盘，弹丸可由云台上部掉落进入枪管。 效果如下：  为了更好的匹配不同的发射电压，本系统设计了一个创新型的枪管。枪管集成了单点激光用于瞄准，并集成了舵机推杆用于匹配不同的电容电压增加发射距离，提高能量效率；同时还预留光敏电阻接口，可实时监控是否存在余弹。 激光  光电门和推杆  线圈设计部分，由于本装置是低压版本的，输出电流较大，所以线圈的直径需要大一些（10mm以上）。要想产生更强的磁场，我们只需要增加线圈的匝数即可（中间部分的线圈绕多几层即可）  ## 硬件设计 硬件连接及功能分类请具体查看**系统设计的第三部分**。 由于本系统使用的是集成电路板，电磁炮充电、发电、云台控制功能全部集成在一块PCB上，因此，硬件设计请查看文档部分的原理图及PCB，均使用嘉立创EDA绘制，里面有较为详细的信息，本处不做具体介绍。 特殊说明：本装置预留上位机控制（USB串口）以及CAN控制（隔离主控），但两者不可同时使用。 特别注意：can通信终端电阻焊不焊接要看can通信网络的连接方式（百度可具体查），以及PCB的can尽量使用差分走线。 实物图：  ## 软件设计 软件只要分为3部分 1、电磁炮控制板  部分源码详解 ``` /** * @brief 云台控制 * @param None * @retval None */ void GimbalCtrl(void) { //电磁炮自动旋转（-30°~30°） static int i=0,dir=0;//dir为转动方向标志 if(dir == 0){ i++; } if(i >= 30){ dir = 1; } if(dir == 1){ i--; } if(i <= -30){ dir = 0; } yawset = i; float yawPWM = yawbasic - yawset*11.11f;//根据角度计算出yaw舵机的PWM if(yawPWM > 2600) yawPWM = 2600; else if(yawPWM < 400) yawPWM = 400; TIM3->CCR2 = yawPWM; float pitchPWM = pitchbasic + pitchset*11.11f; if(pitchPWM > 1900) pitchPWM = 1900; else if(pitchPWM < 1290) pitchPWM = 1290; TIM3->CCR4 = pitchPWM; } ``` ``` /** * @brief 发射子弹 * @param None * @retval None */ void ShootBullet(void) { HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_RESET);//开启灯光指示 TIM2->CCR1 = 0; HAL_Delay(800);//延迟一会儿 TIM2->CCR2 = 19999;//控制N-Mos的栅极，高PWM使能mos HAL_Delay(1500); TIM2->CCR2 = 0;//关闭mos HAL_GPIO_WritePin(GPIOA,GPIO_PIN_6,GPIO_PIN_SET);//关闭灯光指示 mycommand = 0; } ``` 如要使用CAN控制电磁炮，需使用如下CAN通信协议： DLC为0x08 **指令集**说明：1为电容组充电；2为电磁炮发射 **云台参数控制有效范围：-90°~90°** **弹丸是否装填**说明：1表示装填完毕，0表示无弹丸 | StdId\bit | bit0 | bit1 | bit2 | bit3 | | :-------: | :---: | :---: | :---: | :---: | | 0x101 | 指令集：发射为2 | None | 电容电压高8位 | 电容电压低8位 | | 0x102 | 输入电压高8位 | 输入电压低8位 | 电容电压高8位 | 电容电压低8位 | | StdId\bit | bit4 | bit5 | bit6 | bit7 | | :-------: | :---: | :---: | :---: | :---: | | 0x101 | yaw*1000高8位 | yaw*1000低8位 | pitch*1000高8位 | pitch*1000低8位 | | 0x102 | 弹丸是否装填 | None | None | None | 2、云台控制板 由于附件代码注释多，此处就不详细介绍了。 思路框图如下：  3、openMV图像处理板 openMV有很多现成的例程，附件源码注释较多，此处就不细讲了。 思路框图如下：  ## APP设计 整体框图：  APP设计本系统使用的是E4A，使用中文+图像化编程，APP设计并没有特别多需要注意的地方，只需要使用好相应的模块接口，温馨提醒：E4A有很多例程哟！ APP界面如下：  ## 总结 总的来说，19年电磁炮作为一道综合题，很考验参赛队员的整合能力。 本系统耗时三个星期，功能已调试完成。资料汇总详见附件。 更多细节可观看我的B站：[自制全自动电磁炮](https://www.bilibili.com/video/BV1MU4y1W7H7) 欢迎大家留言讨论。