【《电磁发射系统线圈式发射部的试验研究》4000字（论文）】

电磁发射系统线圈式发射部的试验研究目录TOC\o"1-3"\h\u3870电磁发射系统线圈式发射部的试验研究 1103461.1线圈式电磁发射系统电路整体结构设计 173251.2线圈式电磁炮硬件设计 224161.2.1线圈式电磁炮控制电路设计 324681.2.2线圈式电磁炮储能电路设计 331241.2.3线圈式电磁炮发射电路设计 5136791.3线圈式电磁炮软件设计 5142501.4试验验证及结果分析 8177051.1.1测试方案 8302841.1.2测试结果 91.1线圈式电磁发射系统电路整体结构设计设计并制作线圈式电磁炮。使用直径为1.5cm的铁质球形炮弹，用电磁炮将炮弹射出。设计的电磁炮系统将实现以下两个目标：（1）设定电磁炮的发射距离发射炮弹，要求炮弹的实际发射距离与设定的距离之间误差在2cm内。要求通过键盘设定具体距离，完成设定后按下启动键，电磁炮自动充能并发射炮弹。（2）将目标物放置在电磁炮前方-60°到60°，且距离在3m范围内，电磁炮自动搜寻目标并发射炮弹击中红色目标物。要求不可通过按键调节距离及角度，按下启动键后电磁炮能自动搜寻目标，并发射炮弹击中目标，电磁炮系统如图4-1所示。图4-1线圈式电磁炮设计指标示意图电磁炮系统电路设计，以STM32单片机为核心，辅以用户键盘、MPU6050、OpenMV和舵机云台，外加全桥逆变升压、炮弹充能发射和电容电压反馈电路，系统总体设计如图4-2所示。图4-2线圈式电磁炮系统总体框图1.2线圈式电磁炮硬件设计电磁炮要实现炮弹的发射，就必须设计相应电路，实现能量的存储以及能量的瞬间释放。能量的存储速度越快，炮弹发射的准备时间越短；释放的能量越大，炮弹发射的距离越远。电解电容的充放电速度是各种类电容中较好的，所以采用电解电容作为能量容器。当前教学用电磁炮对发射能量的控制，仅仅只是对充电时间进行控制，并不能完全准确地控制能量的存储量，精度也不太高。本次毕业设计中采用对电容电压进行准确采样，来控制炮弹的发射距离。这种方法不仅准确控制炮弹的发射距离、提高了射击精度，而且，还能够防止仅仅只控制充电时间，而导致充电不足或过度充电引发意外状况的出现。设计硬件电路实现将直流电转换为交流电，再经过变压器升压后对一个8800UF450V的大容量高压电解电容进行充电。采用STM32的12位ADC转换功能采集充电时电容两端电压值，由单片机设置并控制电容充放电，实现发射动能的存储控制。用一组线圈缠绕在炮管底部，在线圈稍低处装入铁球作为炮弹。当电容能量充满且满足开炮条件时，设计的开关电路将使电容对线圈进行一次大电流的快速放电，使线圈产生瞬时强磁场。磁场将炮弹向线圈中心吸引，由于放电电流只持续一瞬间，炮弹的吸引力很快就会消失。产生的动能将会带动小球射出炮口做出斜抛运动，从而实现炮弹的发射。1.2.1线圈式电磁炮控制电路设计STM32F407采用Cortex-M4内核，现为目前最主流的单片机之一。它的时钟频率可达到168MHZ，芯片拥有多个定时器、串口等外设；可对系统实现精准、快速的控制。且有大量资料提供参考学习，所以采用STM32F407作为系统的主控芯片对系统进行控制。电磁炮控制电路原理如图4-3所示，使用OPA548功率运放搭建10倍同相放大电路，通过采集单片机D/AC输出的电压，并对电压进行10倍放大，作为电容的充电电压，以达到控制电容能量作用；通过SS8050NPN型三极管控制功率运放的E/S端，完成运放的通断功能。图4-3控制电路原理图由数据手册得知，该运放的输出电流： （4-1）通过使，使充电电流设定为1A，即保护了电路又可以增快电容充电的进程，节省充电时间。电容储能： （4-2）由电容储能公式得知，电容储能与电容量C成正比，与电容电压U的平方成正比，本次毕业设计使用40mF的电容以减小充电电压的大小，提高整体安全性。1.2.2线圈式电磁炮储能电路设计IR2104是半桥驱动器，当SD=1时，即允许使能IR2104，当HO脚的输出波形与IN脚的输入波形相同时，LO脚的输出波形与IN脚的输入波形则相反。如若IN输入高电平，则HO输出高电平，LO输出低电平，可以输出一组相反信号来驱动两个MOS管。单片机给出一组呈周期变化的相反信号分别输入两个IR2104，故对角的两个MOS管会同时导通而另一组对角MOS管则不通，以此往复变化则会在输出端得到连续的交流电。因此，全桥逆变升压电路能将12伏的直流输入电压进行全桥逆变后升压到220伏。再将220伏的交流电进行整流滤波，给电解电容充电。全桥逆变电路如图4-4所示。储能单元如图4-5所示。图4-4全桥逆变电路图4-5储能单元TIL11光耦开关能将电信号转为光信号，再次转为电信号。将大电容两端电压进行分压后串联一个电阻将电压信号转变为电流信号。为防止电流过大烧坏单片机引脚，于是使用TIL117将电流信号隔离使之工作在线性区。因输出信号电压较小，输出信号经过LM358同相比例放大，再传给单片机ADC进行采样，从而实现充电反馈。最后将反馈的电压传输给控制系统，以此控制炮弹的发射距离。电压反馈电路如图4-6所示。图4-6电压反馈回路1.2.3线圈式电磁炮发射电路设计全桥逆变输出的交流电经由5：200的变压器升压，再经桥式整流滤波，变方波交流电为脉冲直流电，给大电容充电。由于电压高、功率大故选用IGBT来控制电容的充放电，因为IGBT驱动功率小而饱和压降低；由于IGBT的驱动电压较大，单片机引脚无法有效驱动，故采用继电器来帮助单片机控制IGBT的开关。当大电容达到预设电压值时，由单片机输出控制信号，启动IGBT开关，大电容迅速放电为线圈充能使之能够发射炮弹。电容充能电路含于图4-7。图4-7发射电路设计1.3线圈式电磁炮软件设计（1）采用TFT液晶屏显示电磁炮的相关数据，包括电磁炮发射模式选择、炮弹发射距离、电容电压反馈电压，以及电磁炮炮管当前的角度，OpenMV摄像头的搜寻状态，目标的跟踪测量距离等。（2）电磁炮的发射模式，炮弹发射的距离通过矩阵键盘输入。（3）电磁炮的射击距离，与电容的充电电压值有关，具体距离大小与电容电压反馈电路的电压值一一对应。按下启动键，电容开始充能，达到预设的电压值以后，电磁炮充能结束，就可以发射炮弹。（4）自动搜寻目标则利用OpenMV摄像头识别彩色图像获取标识在镜头中的相对坐标，若目标不在镜头的正中，则调节炮管的角度，一直到炮管完全指向目标为止。为了快速且准确的命中目标，此过程运用增量式PID算法，调节炮管角度，形成闭环系统，大大增加系统的稳定性。电磁炮系统识别模块中包括US-100超声波测距模块以及基于OV7725摄像头的OpenMVCamH7视觉模块，如图4-8所示。图4-8识别模块US-100超声波测距模块可实现2cm~1.5m的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行矫正，同时具有GPIO、串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠且精度较高。OpenMVCamH7机器视觉模块由板载微处理器STM32H743VI和OV7725摄像头构成。其具有400MHz的主频、1MB的RAM和2MB的Flash，可以使用MicroPython对其进行编程，实现机器视觉相关任务，例如：颜色识别、形状识别、人脸识别、边缘检测和特征点追踪等。在颜色追踪、3D定位识别和特征检测人脸识别等领域均获得了应用。在本系统的设计中，通过对目标颜色识别，将获取到的坐标点发送给主控芯片以进行后续的运算与处理。电磁炮能自动击中目标的关键在于能够快速搜寻并锁定目标物，从启动到搜寻到目标的时间越短越好，锁定目标的精度越高越好。将炮台置于可水平且垂直转动的云台上，配以OpenMV作为寻找目标的重要传感器，OpenMV中心与电磁炮炮管处于同一垂直线上。使用闭环控制，将目标物的特征输入到程序中。若在摄像头可探测的范围内无目标物，则将无目标信号反馈给单片机。单片机再将相关信号传送给云台，云台则按预设方向继续转动；若目标进入探测范围，OpenMV则发送具体坐标给单片机，直至目标物到达坐标中心点。使用增量式PID算法作为云台控制量，与开环控制相比，更加精确快速，增量式PID算法公式为： （4-3）将摄像头捕捉到的图像水平分为180个像素点，由左向右按照0-159排列，由上向下以0-119排列。若目标物出现在图像上，则将物体的位置以坐标（x,y）的形式传输给单片机。将此坐标与中心坐标的偏差值作为反馈量代入增量式PID算法公式，即为，而上一次偏差值为，且在前一次的偏差值为，根据实际情况调整、、完善具体算法。因此，能够快速且精确地捕捉到目标的具体位置。当锁定目标后由MPU6050传感器测出目标的角度，利用OpenMV测出与目标的距离，将相关数据传输给系统进行比对，快速进行参数修正，使电磁炮射击更加准确稳定。基于以上的程序设计思路，依照图4-9所示的流程图，在Keil5MDK平台使用C语言对STM32单片机进行具体的程序编写实现设定功能。图4-9程序流程图1.4试验验证及结果分析1.1.1测试方案（1）硬件测试方案使用万用表测量电路通断情况，排除虚焊等情况后将电路通电，测试弹丸是否可正常发射。使用示波器测量主处理器PWM信号输出，并与MG996R舵机连接，测试舵机是否可以正常工作。经测试，电路连接正常，弹丸发射正常，舵机工作正常。（2）软件测试方案使用Keil5自带的仿真功能完成软件仿真测试，经测试，程序运行正常。（3）软硬件联合测试方案根据题目要求中基本部分和发挥部分对炮击精度、自动寻物、预判能力等方面的要求，使用5米卷尺、高速摄像机等工具仪器，结合装置人机交互界面反复测试各项参数，并据此修改程序中部分参数，使之达到最小误差。图4-10装置实物图图4-11装置人机交互界面1.1.2测试结果要求（1）测试结果键盘输入距离d值与电磁炮弹丸炮击落点距离偏差绝对值的关系如下表：表4-1要求（1）测试结果距离d值（cm）200210220230240250260270280290300偏差绝对值（cm）2.83.32.11.52.63.93.42.23.52.83.0要求（2）测试结果键盘输入距离d值和偏离角度α与电磁炮击中环数的关系如下表：表4-2要求（2）测试结果距离d值（cm）200220240260280300偏离角度（°）-1515-1515-1515-1515-1515-1515击中环数8997888910879部分（3）测试结果电磁炮自动寻找引导标识并炮击中环数与