模擬電磁曲射炮設(shè)計(jì)思路（電賽題目）Aiduino實(shí)現(xiàn)

本章通過對設(shè)計(jì)需求的分析得到完成此次設(shè)計(jì)所需要的各個(gè)模塊以及各個(gè)模塊之間的所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。模擬電磁曲射炮的總體設(shè)計(jì)不僅要滿足基本功能要求，而且要保證在整個(gè)設(shè)計(jì)運(yùn)行過程中保持良好的可控性和穩(wěn)定性，保證各個(gè)模塊在運(yùn)行過程中在控制功耗的追求下保持極高的可靠性。

電磁炮與環(huán)形靶的位置示意如圖1所示。電磁炮放置在定標(biāo)點(diǎn)處，炮管初始水平方向與中軸線夾角為 0°、垂直方向仰角為 0°。 環(huán)形靶水平放置在地面，靶心位置在與定標(biāo)點(diǎn)距離 200cm≤d≤300cm，與中心軸線夾角a≤±30°的范圍內(nèi)。

圖1 電磁炮與環(huán)形靶的位置示意圖

此次設(shè)計(jì)有兩種工作模式，分別為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式工作方式為環(huán)形靶放置在靶心距離定標(biāo)點(diǎn) 200~300cm 間，且在中心軸線上的位置， 鍵盤輸入距離值，電磁炮將彈丸發(fā)射至環(huán)形靶范圍；自動(dòng)模式工作方式為在指定范圍內(nèi)任意位置放置環(huán)形靶，一鍵啟動(dòng)后，電磁炮自動(dòng)搜尋目標(biāo)并炮擊環(huán)形靶。

本文設(shè)計(jì)的模擬電磁曲射炮總體分為四大模塊，如圖2所示，分別是控制模塊、發(fā)射模塊、識(shí)別模塊、顯示模塊。

圖2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）控制模塊：實(shí)現(xiàn)對模擬電磁曲射炮系統(tǒng)整體控制，輸入鍵盤用于鍵入標(biāo)靶物與定標(biāo)點(diǎn)之間的距離及角度。

（2）識(shí)別模塊：掃描定標(biāo)點(diǎn)前方一定區(qū)域，確定標(biāo)靶物相對于定標(biāo)點(diǎn)的距離及角度并回傳相應(yīng)數(shù)據(jù)到主控芯片。

（3）發(fā)射模塊：控制電磁炮的充能和發(fā)射，根據(jù)定標(biāo)點(diǎn)與標(biāo)靶物的距離來調(diào)整電磁炮炮管的抬起角度。

（4）顯示模塊：顯示當(dāng)前工作模式以及標(biāo)靶物與定標(biāo)點(diǎn)的角度和距離。

外部組件的選擇決定了模擬電磁曲射炮的實(shí)現(xiàn)難度和功能的完整性。因此，需要合理選擇硬件，在滿足需求的條件下最大限度地提高系統(tǒng)工作的可靠性和可靠性。

ATMega328P屬于AVR系列單片機(jī)。ATMega328P單片機(jī)配有數(shù)字端口和模擬端口兩種類型的，其中14個(gè)數(shù)字端口組可以進(jìn)行脈寬調(diào)制，因此端口將連接到許多外圍模塊和設(shè)備，例如傳感器、無線傳輸模塊和執(zhí)行器等外接設(shè)備。ATMega328P操作簡易、接口豐富且處理速度快，可以與大量外圍設(shè)備連接，直接使用USB口與電腦對接下載程序，所以本設(shè)計(jì)選擇ATMega328P作為此次設(shè)計(jì)的主控芯片。

TFmini激光測距模塊可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、非接觸式測距功能，其測量結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定。TFmini激光測距模塊的工作原理是使用周期性紅外調(diào)制波，當(dāng)調(diào)制波在空間傳播過程中撞擊物體后，物體反射調(diào)制波。反射時(shí)間一定的情況下得到定標(biāo)點(diǎn)與標(biāo)靶物之間的距離。TFmini激光測距模塊的測距范圍是0.3m-12m, 在 0.3m-2m 內(nèi)由于測距檔位切換， 會(huì)產(chǎn)生個(gè)別點(diǎn)誤差在±6cm，6m-12m之間測量結(jié)果與實(shí)際距離之間的誤差小于實(shí)際距離的±1%。采用光路和算法優(yōu)化來減少因外部不可抗力對測量結(jié)果的影響。由于其使用光的反射時(shí)間來確定測量的距離，所以仍會(huì)受到黃江光和物體表面材料的影響。

TFmini激光測距模塊的有效距離邊長度只有在要測量的目標(biāo)長度大于或等于有效距離邊長度時(shí)，數(shù)據(jù)才穩(wěn)定，安全可靠。一定探測距離內(nèi)可測量物體的邊長由該激光測距的視場角決定，計(jì)算公式為

其中, Distance表示有效測距邊長，D 表示探測距離,β為TFmini激光測距模塊的接收半角1.15°，一般的有效測距邊長與探測距離的對應(yīng)關(guān)系,見表1 TFmini激光測距模塊有效測距邊長與探測距離的對應(yīng)關(guān)系。

表1 TFmini激光測距模塊有效測距邊長與探測距離的對應(yīng)關(guān)系

綜上所述，TFmini激光測距模塊具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高等特點(diǎn)，滿足本設(shè)計(jì)的所有的需求，本設(shè)計(jì)采用TFmini激光測距模塊作為本設(shè)計(jì)的距離傳感器模塊。

顯示模塊對于模擬電磁曲射炮系統(tǒng)十分必要，可以通過顯示模塊得知鍵入值、當(dāng)前工作模式以及標(biāo)靶物與定標(biāo)點(diǎn)的角度和距離。主控板與液晶顯示模塊使用IIC通信協(xié)議進(jìn)行通信，極大的節(jié)約了主控板引腳資源，降低了系統(tǒng)整體功耗。

發(fā)射模塊主要有舵機(jī)云臺(tái)組成。由于要滿足水平方向移動(dòng)和垂直方向移動(dòng)的需求，所以采用雙自由度舵機(jī)云臺(tái)。實(shí)現(xiàn)了水平方向移動(dòng)和垂直方向移動(dòng)電磁曲射炮炮管，KS-3518舵機(jī)支持0-180°旋轉(zhuǎn)，滿足此次設(shè)計(jì)的需求。

線圈炮電路設(shè)計(jì)原理一般是指用脈沖或交變電流產(chǎn)生磁行波來驅(qū)動(dòng)帶有線圈的或磁性材料的發(fā)射體的發(fā)射裝置。最基本的線圈型電磁變送器是兩個(gè)線圈，一個(gè)是稱為驅(qū)動(dòng)線圈的定子，另一個(gè)是由稱為傳輸線圈的驅(qū)動(dòng)線圈的電磁炮的驅(qū)動(dòng)電樞。而此次設(shè)計(jì)所采用的電磁炮僅使用一個(gè)線圈，在線圈中輸入脈沖電流，使線圈產(chǎn)生洛倫茲力，線圈中防止磁性材料彈丸。采用磁阻型線圈式發(fā)射方式，感應(yīng)線圈炮原理使用脈沖或者交變電流產(chǎn)生磁行波來驅(qū)動(dòng)彈丸，此次設(shè)計(jì)中使用大容量電解電容提供脈沖電流來達(dá)到發(fā)射彈丸的目的。

主控芯片負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行信息的控制。TFmini 是一款小型激光雷達(dá)模組。主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無接觸式的距離測量功能，具有測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定、高速的特點(diǎn)。TFmini周期性的向外發(fā)出近紅外光調(diào)制波，調(diào)制波遇物體后反射，通過反射時(shí)間計(jì)算定標(biāo)點(diǎn)與被測目標(biāo)之間的相對距離。鍵盤可以進(jìn)行模式的選擇與發(fā)射角度的控制。IIC LCD1602實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工作模式及當(dāng)前定標(biāo)點(diǎn)與標(biāo)靶物之間的距離。

各個(gè)模塊的硬件電路連接的穩(wěn)定性決定了整個(gè)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，各個(gè)模塊之間的通信方式的選擇決定著整個(gè)設(shè)計(jì)的資源分配和各模塊之間的通信效率。模擬電磁曲射炮的硬件設(shè)計(jì)包括核心主控板電路設(shè)計(jì)、按鍵控制模塊設(shè)計(jì)、顯示模塊設(shè)計(jì)、發(fā)射模塊電路設(shè)計(jì)、激光測距模塊設(shè)計(jì)。本章通過結(jié)合基本理論和現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)選擇合適的電路連接方式，完成電磁曲射炮硬件電路設(shè)計(jì)。模擬電磁曲射炮硬件電路整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

ATmega328P屬于高性能、低功耗微控制器。選擇此款控制芯片是因?yàn)楸鞠到y(tǒng)設(shè)計(jì)并非追求更低的成本或更小的功耗，而是在實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)功能的前提下能夠提供更豐富的接口和功能以便于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的外圍擴(kuò)展電路。ATMega328P主控芯片的電路圖如圖4所示。

激光測距模塊使用標(biāo)準(zhǔn)輸出模式。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)幀長度為9個(gè)字節(jié)。其輸出的數(shù)據(jù)類型是十六進(jìn)制，包括距離信息、信號(hào)強(qiáng)度信息、溫度、數(shù)據(jù)校驗(yàn)字節(jié)等。

TFmini和ATMega328P之間的連接方式是串行端口連接。TFmini激光測距模塊與ATMega328P電路之間的連接如圖5所示。

此次設(shè)計(jì)的按鍵模塊使用輕觸按鍵，與ATMega328P的D6、D7、D8和D9引腳線連接，下拉電阻可以將一個(gè)不確定的信號(hào)，通過一個(gè)電阻與GND相連保證當(dāng)輕觸按鍵按下時(shí)其輸入固定在低電平，保證按鍵信號(hào)的穩(wěn)定輸入。按鍵電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖3 模擬電磁曲射炮硬件電路整體設(shè)計(jì)

圖4 ATmega328P芯片電路示意圖

顯示模塊采用帶有PCF8574芯片的LCD1602液晶顯示屏，LCD1602進(jìn)行角度和距離數(shù)據(jù)的顯示，IIC LCD1602與ATMega328P的電路連接如圖7所示。

電磁發(fā)射電路采用磁阻型線圈式發(fā)射方式，感應(yīng)線圈炮原理使用脈沖或者交變電流產(chǎn)生磁行波來驅(qū)動(dòng)彈丸，此次設(shè)計(jì)中使用大容量電解電容C1(35V 10000uf)提供脈沖電流來達(dá)到發(fā)射彈丸的目的�？傮w電路如圖8所示。

升壓模塊通過將低壓轉(zhuǎn)換為高壓給電解電容C1充電。本設(shè)計(jì)采用的升壓模塊可以將輸入到VIN+的3~5V電壓生壓為OUT+輸出的25~28V，達(dá)到給電解電容C1充電的效果。

圖5  TFmini激光測距模塊與ATMega328P電路連接

電磁繼電器采用高電平觸發(fā)模式。VIN為低電平時(shí)，COM口與NC1接通，此時(shí)電磁發(fā)射電路處于充電狀態(tài)；當(dāng)VIN輸入為高電平時(shí)，COM口與NO1接通，此時(shí)電磁發(fā)射電路處于放電狀態(tài)，電容C1儲(chǔ)存的電量轉(zhuǎn)換為脈沖電流，脈沖電流用過線圈L1產(chǎn)生磁場達(dá)到發(fā)射電磁炮的效果。

圖6 按鍵電路設(shè)計(jì)

圖7 IIC LCD1602與ATMega328P的電路連接

圖8 電磁發(fā)射電路

瞄準(zhǔn)模塊主要由舵機(jī)和云臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)水平方向移動(dòng)和垂直方向移動(dòng)電磁曲射炮炮管。舵機(jī)與單片機(jī)連接電路如圖9所示。

圖9 舵機(jī)與ATMega328P主控芯片連接電路

舵機(jī)采用KS-3518數(shù)字舵機(jī)，該舵機(jī)可轉(zhuǎn)動(dòng)范圍0~180°，符合本此設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)需求。此次設(shè)計(jì)的垂直方向控制舵機(jī)與ATMega328P的D9引腳線連接，水平方向控制舵機(jī)與ATMega328P的D10引腳線連接。

此設(shè)計(jì)總共分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式兩種模式。系統(tǒng)整體流程圖如圖10所示。在程序啟動(dòng)時(shí)選擇手動(dòng)模式，測量標(biāo)靶物相對于定標(biāo)點(diǎn)的角度和距離，使用按鍵輸入標(biāo)靶物相對于定標(biāo)點(diǎn)的角度，將測量得到的標(biāo)靶物與定標(biāo)點(diǎn)的距離通過查詢彈道表的方式轉(zhuǎn)換為模擬電磁曲射炮炮管的抬起角度，將角度值輸入后云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定角度，點(diǎn)擊確認(rèn)發(fā)射即可。自動(dòng)模式通過云臺(tái)水平舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)以及激光測距模塊實(shí)時(shí)采集距離值，當(dāng)采集到的距離值大于200cm且小于300cm厘米時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)水平舵機(jī)，根據(jù)距離值調(diào)整云臺(tái)垂直舵機(jī)角度隨后發(fā)射電磁炮。模擬電磁曲射炮的軟件設(shè)計(jì)包括核心控制器程序設(shè)計(jì)、顯示模塊程序設(shè)計(jì)、距離識(shí)別模塊程序設(shè)計(jì)、發(fā)射控制模塊程序設(shè)計(jì)。

激光測距模塊采用串口通信方式與控制器連接。首先定義串口RXD和TXD，接著定義串口通信波特率及數(shù)據(jù)包幀頭，數(shù)據(jù)包幀頭設(shè)置為0x59, 數(shù)據(jù)包幀頭主要用于判斷是否將接下來激光測距模塊傳來的數(shù)據(jù)存入數(shù)組。將激光測距模塊傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，若校驗(yàn)結(jié)果不正確，則需要重新開始判斷接口是否有數(shù)據(jù)輸入，若校驗(yàn)結(jié)果正確，通過計(jì)算激光測距模塊傳回的數(shù)據(jù)得到距離值以及信號(hào)強(qiáng)度。激光測距模塊程序設(shè)計(jì)框圖如圖11所示。

根據(jù)IIC LCD1602的時(shí)序圖，對IIC LCD1602進(jìn)行操縱，IIC LCD1602的程序原理圖如下圖12所示，其軟件實(shí)現(xiàn)分為以下4個(gè)部分：

(1) 使用函數(shù)LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2)確定LCD1602通信地址；

(2) 初始化LCD1602.lcd.init()顯示屏幕初始化，lcd.backlight()打開屏幕背光;

(3) 通過lcd.setCursor(0,0)設(shè)置顯示位置；

(4) 利用lcd.print("XXX")函數(shù)設(shè)置要顯示的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

電磁炮發(fā)射控制開關(guān)為電磁繼電器，通過改變輸入電磁繼電器的信號(hào)來控制電磁炮的充電和發(fā)射過程。電磁繼電器通過與控制器引腳連接，充電時(shí)控制器引腳輸出為低電平，發(fā)射時(shí)控制器引腳輸出為高電平。電磁炮發(fā)射程序原理圖如圖13所示。

利用驅(qū)動(dòng)程序?qū)Ω鞣N外設(shè)進(jìn)行控制，同時(shí)協(xié)調(diào)各個(gè)硬件模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別以及電磁炮自動(dòng)發(fā)射的功能，提高電磁炮在0-3m范圍內(nèi)的命中概率。

首先調(diào)試了按鍵輸入模塊，在測試過程中，當(dāng)整體系統(tǒng)重新啟動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)引腳懸空的狀態(tài)，這種狀態(tài)下，如果使用控制器去讀該引腳的值，會(huì)出現(xiàn)高電平狀態(tài)或者低電平狀態(tài)，導(dǎo)致整體系統(tǒng)混亂。在后續(xù)的調(diào)試過程中，使用下拉電阻，將不確定的信號(hào)通過一個(gè)電阻嵌位在低電平，這樣就解決了程序運(yùn)行過程中因按鍵引起的程序混亂。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，IIC LCD1602顯示通過選擇按鍵選擇一種模式，如圖14所示。此時(shí)按下KEY_3進(jìn)入手動(dòng)模式，按下KEY_4進(jìn)入自動(dòng)模式。

電磁炮主要使用升壓模塊將低壓轉(zhuǎn)換為高壓給電解電容C1充電。由于電磁炮要擊中200cm以外的目標(biāo)，此時(shí)對電磁炮發(fā)射系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，所以每次控制電磁炮的充電電壓為28V，通過控制穩(wěn)定的充電電壓，達(dá)到穩(wěn)定電磁炮發(fā)射系統(tǒng)的目的。

在控制每次發(fā)射電壓都為28V的前提下，經(jīng)過多次測試，得到了云臺(tái)垂直舵機(jī)角度與射程的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 云臺(tái)垂直舵機(jī)角度與射程的測量數(shù)據(jù)

在電磁炮發(fā)射測試過程中得到了多組關(guān)于云臺(tái)垂直舵機(jī)角度與射程的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為散點(diǎn)，可以通過擬合的方法將散點(diǎn)擬合成一條直線或者曲線，Matlab有一個(gè)功能強(qiáng)大的曲線擬合工具箱cftool，使用方便，能實(shí)現(xiàn)多種類型的線性、非線性曲線擬合。下面將使用兩種擬合方式對散點(diǎn)圖進(jìn)行擬合，并求出擬合后的曲線或者直線的表達(dá)式。

（1）Polynomial(多項(xiàng)式形式)方式擬合散點(diǎn)

使用Polynomial方式擬合得到的曲線如圖15所示，所得到的距離關(guān)于云臺(tái)垂直舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的函數(shù)關(guān)系式為：,其中p1=0.5261,p2=8.0555，則關(guān)系式為：。

（2）Exponential(指數(shù)形式)方式擬合散點(diǎn)

使用Exponential方式擬合得到的曲線如圖16所示，所得到的距離關(guān)于云臺(tái)垂直舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的函數(shù)關(guān)系式為：,其中a=49，b=0.0042，則關(guān)系式為：

通過觀察上述方法擬合出來的兩條曲線，Polynomial和Exponential方式擬合得到的曲線相差很小，綜合考慮ATMega328P計(jì)算能力有限，所以選擇Polynomial方式得到的曲線方程作為此次設(shè)計(jì)電磁炮的射程距離關(guān)于云臺(tái)垂直舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的函數(shù)關(guān)系式。

圖10  系統(tǒng)整體流程圖

圖11 激光測距模塊程序框圖

圖12  LCD1602的程序原理圖

圖13 電磁炮發(fā)射程序原理圖

圖14 兩種模式的選擇界面

圖15 使用Polynomial方式擬合得到的曲線

圖16 使用Exponential方式擬合得到的曲線

此次設(shè)計(jì)是基于ATMega328P的電磁曲射炮系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)通過測量標(biāo)靶物相對于定標(biāo)點(diǎn)的角度和距離實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制電磁炮發(fā)射和自動(dòng)尋找目標(biāo)并自動(dòng)發(fā)射的兩個(gè)功能，實(shí)現(xiàn)電磁炮的小型化和智能化。利用驅(qū)動(dòng)程序?qū)Ω鞣N外設(shè)進(jìn)行控制，同時(shí)協(xié)調(diào)各個(gè)硬件模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別以及電磁炮自動(dòng)發(fā)射的功能。經(jīng)多次調(diào)試測試，所設(shè)計(jì)的電磁曲射炮實(shí)現(xiàn)了0-3m范圍內(nèi)對目標(biāo)的高命中率。此次設(shè)計(jì)的手動(dòng)控制電磁炮發(fā)射和自動(dòng)尋找目標(biāo)并自動(dòng)控制電磁炮發(fā)射的功能，都是本次設(shè)計(jì)中的亮點(diǎn)，各功能模塊工作穩(wěn)定，射中目標(biāo)概率較高，基本實(shí)現(xiàn)了電磁炮的小型化和智能化。