2019 年TI杯全國大學生電子設計競賽H題模擬電磁曲射炮

前言

首先要肯定電子設計競賽的含金量，而也正是電子設計競賽給了我本科階段最好的體驗。此文章介紹的作品是我所在團隊于2019年參加電賽的參賽作品，在隊友、指導老師的共同努力下有幸獲得國家級二等獎。誠然，此作品確實存在很多不足，在此只是分享一下我們當時的方案和經歷，供日后參加電賽的學生朋友們參考，不足之處望大家見諒。

完整題目

來自電賽官網：H題模擬電磁曲射炮

實現方案

本系統為自行設計并制作的模擬電磁曲射炮，采用STM32F1單片機作為控制核心，通過串口與外設模塊進行通信；采用OpenMV作為圖像傳感器、TFmini激光測距模塊作為距離傳感器，通過PID等控制算法實現題目炮擊功能。
云臺：選用帶有平臺大圓盤底座的二自由度舵機云臺
OpenMV：星瞳科技文檔及教程
TFmini：北醒
HMI串口屏：淘晶馳
電磁炮：炮彈選用磁鐵，注意炮管尺寸與炮彈形狀匹配；線圈使用漆包線自行繞制，注意繞線盡量工整，線圈匝數適量；選用1000uf電容，充放電電路由直流穩壓電源經升壓模塊升壓后由12V升為75V，再經過繼電器1與電容相連，通過使用單片機控制繼電器1常開觸點的通斷來給電容充電。為了防止充電電流過大損壞繼電器，在回路中串聯了15歐姆的限流電阻。電容通過繼電器2與電磁炮線圈相連，通過使用單片機控制繼電器2常開觸點的通斷來給電容放電實現電磁炮的發射。

功能實現：硬件搭建結束后進行大量的舵機擺角和出射距離的測試，再進行線性擬合，確定部分區間的補償偏置可近似實現給定距離的發射；發揮題目涉及自動尋靶，采用PID對舵機擺角進行調整，使靶心位于視野中央發射。

程序設計邏輯

外設邏輯：OpenMV實時處理圖像確定目標靶位置，OLED實時顯示由TFmini測得與目標靶的距離信息，HMI屏幕實時接收操控指令。以上OpenMV、TFmini、HMI各占用一個Usart，OLED遵循IIC協議。
開關邏輯：這里的開關指電磁炮充放電發射開關，依靠繼電器實現。

/* ********************************************************************** *函數名稱：void vRelayContorl(void) *函數功能：繼電器控制電容充放電 * *使用說明：無 *入口參數：無 *返 回 值：無 * *函數作者：YJ_Xar *創建日期：2019-8-8 11:26:28 ********************************************************************** */ void vRelayContorl(void) { /*充電*/ ui_Timer1ms++;if(ui_Timer1ms <= 3500){HAL_GPIO_WritePin(C_Save_GPIO_Port, C_Save_Pin, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(C_Release_GPIO_Port, C_Release_Pin, GPIO_PIN_RESET);}/*過渡*/else if(ui_Timer1ms > 3500 && ui_Timer1ms <= 5000)HAL_GPIO_WritePin(C_Save_GPIO_Port, C_Save_Pin, GPIO_PIN_RESET);/*放電*/else if(ui_Timer1ms > 5000 && ui_Timer1ms <= 10000)HAL_GPIO_WritePin(C_Release_GPIO_Port, C_Release_Pin, GPIO_PIN_SET);/*防止首尾相接*/ else if(ui_Timer1ms > 10000 && ui_Timer1ms <= 11000)HAL_GPIO_WritePin(C_Release_GPIO_Port, C_Release_Pin, GPIO_PIN_RESET); }

啟動邏輯：先通過HMI選擇題目序號，PID調整舵機角度，繼電器控制電容充放電，實現題目功能。

測試方案

將系統接上電源，把完整程序下載至STM32F1單片機中，用觸摸屏控制系統完成題目中的各項要求指標并記錄。

根據上述測試數據，系統仍存在偏差，此偏差由激光測距模塊長距離測量偏差造成；考慮到子彈外徑與炮管內徑的偏差，子彈在炮管中運動時速度發生改變，炮擊精度較差。

程序源碼

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1gOhM6ySnaQ1uQtsrI-b76A
提取碼：s1xl
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寫在最后

1.電磁炮硬件電路
此題難點就在此處，比賽時也確實花費了很長時間搭硬件結構。首先，繞線圈，原則上線圈匝數、纏繞層數都是可以計算的，但一方面是不會算而現成計算工具涉及到的參數太多又比較難獲取，另一方面是手動纏線圈纏得比較煩也沒辦法真的一圈圈去查，所以就看心情了，反正最后炮彈打多遠影響因素也不止這一個，設計控制算法的時候一起debug了就得了。第二，電磁炮發射電路大概有可控硅方案和升壓模塊方案兩種，因為需要的電壓相對較高可控硅容易炸，實驗室又有現成的升壓模塊，也就用上了，升壓方案也是糾結了好久，因為一個升壓模塊可以將12V升到60V，但是60V電壓不足以達到目標射程想到升壓模塊串聯，由于開始選的電容和炮彈問題，電壓升到120V也沒射出去多遠，當時因為電壓太高有點害怕了(怕死第一名)，后來選用1000uF電容充電速度和電壓等參數就與系統要求匹配了，碰巧實現了功能；最后，炮彈材質，備選炮彈有磁珠、磁鐵，當時各種尺寸的磁珠買了好多，但是實際放入炮管里炮擊距離實在是有限，當時還想繼續升壓盡量讓磁珠打遠一些，但是最遠距離也不夠兩米；使用磁鐵小圓柱是個必然的意外，淘寶買的電磁炮套件里包含磁鐵，放入自己的炮管里直接就打飛了，新技能Get√(磁鐵形狀、尺寸要配合系統慢慢試進行選擇)。
2.控制裝置
此處要給指導老師點贊，在備賽期間要求各組開發一款適用于各類場景的開發平臺，圖里可以看出來是提前開好的PCB板，串口、PWM、IIC等各種接口和一些基礎電路比如供電電路、電機驅動電路等都畫在上面，用長排針把32所有引腳都引出來也就是同時保留了裸開發板的全部功能。節省比賽時間、優化硬件結構。
3.關于合作
首先，肯定指導老師的指導作用，備賽期間一定要配合老師的安排，對老師充滿信心、完全信任。
最重要的是隊友的配合，我的兩個隊友是我在本科期間遇到的最有價值的朋友，畢業后我們三個仍保持聯系，互相幫助。團隊分工是這樣的，隊友P寫軟件，隊友W搭硬件，我軟硬件都做一些，主要起軟硬件相互聯系的作用。這樣的分工其實是因為我的兩個隊友是絕對硬件或絕對軟件，而且實力很強，而賽題里亂七八糟的活兒，比如外設程序、通信程序等這些由我這個一瓶子不滿半瓶子咣當的人來完成。互相信任是首要的，次者是本人適合團隊協調，東北人兒善于發揮團隊潤滑劑的作用哈哈哈，團隊任務沖突其實并不多見當然也不可避免，是好的團隊關系才支撐大家一起攻堅克難。
4.其他
加一點運氣，加一點開心，加一點熱情。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的2019 年TI杯全国大学生电子设计竞赛H题模拟电磁曲射炮的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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