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驅(qū)動芯片，主控制器通過PWM方式調(diào)節(jié)舵機轉(zhuǎn)動角度，從而達到控制炮管運動方向的目的，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。

　　本文源自科學技術(shù)創(chuàng)新,2020(31):79-81.《科學技術(shù)創(chuàng)新》雜志，于1997年經(jīng)國家新聞出版總署批準正式創(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、時效性強的特點，其中主要欄目有：工程科技、農(nóng)林科學、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，還需要先進的綜合電力推進系統(tǒng)。如果艦船不能產(chǎn)生強大的電力，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，電力綜合推進系統(tǒng)的研發(fā)工作已經(jīng)取得重要進展，不久后就可能應用到艦船上。未來055驅(qū)逐艦如果用上了電力推進系統(tǒng)和電磁炮，海戰(zhàn)能力會大幅度提升，不僅可以打擊艦船，還能打擊飛機和導彈。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，一鍵啟動，激光和攝像頭作用自動掃描定位目標并擊中目標。

　　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)主要由單片機最小系統(tǒng)模塊、LM2596S、舵機、OLED屏共幾部分組成。OLED屏顯示距離和角度，舵機來調(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：單片機控制模塊、電源管理模塊、舵機模塊、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。

　　舵機模塊：選用兩個舵機，能夠調(diào)整電磁炮管上下運動和左右運動。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)和基準穩(wěn)壓器，并具有完善的保護電路、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立的模塊,并且都擁有獨立的功能。

　　激光模塊：激光測距模塊,測量更精準,測距誤差小,量程可達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，留出正極和負極與電容正負極相連接。

　　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變化的角度和電磁炮發(fā)射到達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，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，當鎖定目標之后電磁炮自動發(fā)送擊中目標。

　　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動。(如圖4所示)

　　圖4炮彈拋出運動路徑

　　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)射出去向目標擊中，首先是通過25v穩(wěn)定電源給電容充電，當電容充滿電之后，，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來實現(xiàn)炮管的上下左右運動，我們利用直角坐標形式，給定x,y的初始值，利用矩陣的形式找到所要鎖定目標的點這樣能夠準確找到要求的點，即可鎖定目標。

　　圖5線圈驅(qū)動和舵機驅(qū)動模塊

　　4.2執(zhí)行機構(gòu)控制算法與驅(qū)動

　　通過獨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)，將采集的圖像目標信息搜索出，根據(jù)圖像信息計算目標距離，將計算的目標距離和角度轉(zhuǎn)換為三維空間的坐標，電磁炮會根據(jù)距離選擇充能時間，并且炮臺會根據(jù)坐標計算云臺運行的角度，最終鎖定目標，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)置舵機上下左右轉(zhuǎn)動方向，屏幕顯示舵機相對原點偏轉(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的功能。

　　5、結(jié)束語

　　我們設(shè)計的產(chǎn)品目前運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)品主要運用在盲區(qū)尋找物體，產(chǎn)品比較輕巧可以折疊存放，當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幫助我們找到丟失的物品，還可以運用到農(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)品還能夠運用到軍事上，目前還在突破中，希望未來能到當更廣泛的運用。

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