智能掃描定位電磁炮設計

　　摘要：本文設計了一種智能掃描定位電磁炮，它的控制系統采用STM32F103ZET6作為主控芯片，以LM2596S降壓電源模塊作為舵機驅動芯片，主控制器通過PWM方式調節舵機轉動角度，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磁場產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。

　　本文源自科學技術創新,2020(31):79-81.《科學技術創新》雜志，于1997年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:23-1600/N，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，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、農林科學、創新創業論壇等。

　　根據最新消息電磁炮最快有可能在2025年實現上艦。電磁炮能上艦的關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。如果艦船不能產生強大的電力，不僅電磁炮的性能不穩定，艦船的其他系統也會受到影響。有消息稱，電力綜合推進系統的研發工作已經取得重要進展，不久后就可能應用到艦船上。未來055驅逐艦如果用上了電力推進系統和電磁炮，海戰能力會大幅度提升，不僅可以打擊艦船，還能打擊飛機和導彈。因此我們的產品開發更有意義。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、硬件結構設計

　　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。

　　本系統主要由單片機最小系統模塊、LM2596S、舵機、OLED屏共幾部分組成。OLED屏顯示距離和角度，舵機來調整角度。電磁炮由直流穩壓電源供電，電磁炮系統內使用容性儲能元件。按下按鍵磁炮被激發，向目標發射。

　　智能掃描定位電磁炮的結構主要包括十個模塊：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，是采用超大規模集成電路技術把具有數據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、定時器/計數器等功能(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，非常適合系統的設計。

　　電源管理模塊：我們采用12V直流穩壓電源給控制系統和電容提供電源。

　　舵機模塊：選用兩個舵機，能夠調整電磁炮管上下運動和左右運動。通過系統程序控制還能快速調整變化，發射電磁炮。

　　LM2596S模塊：3A電流輸出降壓開關型集成穩壓芯片，它內含固定頻率振蕩器(150KHZ)和基準穩壓器，并具有完善的保護電路、電流限制、熱關斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。

　　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碼變焦的方式就可以掃描到距離較遠的物體,并且實現物體放大的效果。雙攝像頭模塊還可以實現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,抗環境光,穩定性高,可適用于很多領域。

　　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磁場產生磁力發射電磁炮，對電容的要求也很高，我們采用470UF、400v的電容6個給螺線管提供穩定電源。

　　按鍵控制模塊：我們的設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，在電容激發螺線管產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;二是提供安全穩定的環境，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射到達距離相對原點的水平距離。

　　圖2系統模塊

　　2、基本工作流程

　　智能掃描定位電磁炮由直流穩壓主控電源為STM32F103ZET6控制芯片和LM2596S驅動芯片提供電源，程序下載到STM32F103ZET6控制芯片中，通過按鍵調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驅動芯片，然后驅動舵機發生左右和上下方向調整，電容激發螺線管產生磁力，驅動電磁炮，當鎖定目標之后電磁炮自動發送擊中目標。

　　圖3基本工作流程

　　3、系統理論分析與計算

　　3.1電磁炮參數計算

　　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，即可計算炮彈發射初始速度。

　　3.2彈道分析

　　由設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、電路與程序設計

　　4.1電路設計與參數計算

　　圖5(a)為驅動線圈產生磁力驅動炮彈發射出去向目標擊中，首先是通過25v穩定電源給電容充電，當電容充滿電之后，，然后把電量給線圈驅動線圈產生磁力之后，當炮管中有炮彈之后就可以發射炮彈，我們通過開關按鍵控制既穩定又安全。圖5(b)電路圖實現的功能是通過兩個舵機來實現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線圈驅動和舵機驅動模塊

　　4.2執行機構控制算法與驅動

　　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，將采集的圖像目標信息搜索出，根據圖像信息計算目標距離，將計算的目標距離和角度轉換為三維空間的坐標，電磁炮會根據距離選擇充能時間，并且炮臺會根據坐標計算云臺運行的角度，最終鎖定目標，發射炮彈。

　　電磁炮程序流程及核心模塊設計包括程序功能描述和程序設計思路。程序功能描述描述如下：根據設計要求軟件部分主要實現的按鍵設置和顯示，鍵盤實現設置舵機上下左右轉動方向，屏幕顯示舵機相對原點偏轉角度和距離。程序設計思路包括根據設計要求程序主要實現功能是把角度和距離顯示在屏幕上面和驅動舵機實現角度變化。最主要的是通過激光和攝像頭實現一鍵按下，即可自動掃描定位目標的功能。

　　5、結束語

　　我們設計的產品目前運用到生活中還是一片空白，我們還有很大的發展空間，我們的設計產品主要運用在盲區尋找物體，產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，還可以運用到農產品的除蟲上，現在許多農產品都使用農藥，我們的產品可以幫助除蟲，給人們提供天然無公害的農產品，我們的設計產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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