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一种智能扫描定位电磁炮的研发与设计

2020-10-27 341 上传者：管理员

摘要：本文设计了一种智能扫描定位电磁炮，它的控制系统采用STM32F103ZET6作为主控芯片，以LM2596S降压电源模块作为舵机驱动芯片，主控制器通过PWM方式调节舵机转动角度，从而达到控制炮管运动方向的目的，然后通过按键和电容充电激发磁场产生磁力进行外部输入弹丸飞行的水平距离，并能用0.96寸OLED屏实时显示，最主要的是能够一键启动通过激光和摄像头能够自动扫描定位目标。

关键词：
LM2596S
STM32F103ZET6
武器工业
激光
舵机
舵机驱动芯片
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根据最新消息电磁炮最快有可能在2025年实现上舰。电磁炮能上舰的关键因素除了武器本身以外，还需要先进的综合电力推进系统。如果舰船不能产生强大的电力，不仅电磁炮的性能不稳定，舰船的其他系统也会受到影响。有消息称，电力综合推进系统的研发工作已经取得重要进展，不久后就可能应用到舰船上。未来055驱逐舰如果用上了电力推进系统和电磁炮，海战能力会大幅度提升，不仅可以打击舰船，还能打击飞机和导弹。因此我们的产品开发更有意义。我们采用按键控制主机，一键启动，激光和摄像头作用自动扫描定位目标并击中目标。

1、硬件结构设计

智能扫描定位电磁炮采用中密度纤维板作为底座和激光摄像头支架，螺钉支架的电路板，采用热塑性塑料材料通过3D打印出炮管。

本系统主要由单片机最小系统模块、LM2596S、舵机、OLED屏共几部分组成。OLED屏显示距离和角度，舵机来调整角度。电磁炮由直流稳压电源供电，电磁炮系统内使用容性储能元件。按下按键磁炮被激发，向目标发射。

智能扫描定位电磁炮的结构主要包括十个模块：单片机控制模块、电源管理模块、舵机模块、LM2596S模块、摄像模块、激光模块、螺线管模块、电容模块、按键控制模块、显示屏模块。模块实物图如图1，模块系统图如图2。

图1电磁炮实物图

各个模块的主要功能：

单片机控制模块：智能扫描定位电磁炮采用STM32F103ZET6作为主控芯片，该芯片是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，非常适合系统的设计。

电源管理模块：我们采用12V直流稳压电源给控制系统和电容提供电源。

舵机模块：选用两个舵机，能够调整电磁炮管上下运动和左右运动。通过系统程序控制还能快速调整变化，发射电磁炮。

LM2596S模块：3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内含固定频率振荡器(150KHZ)和基准稳压器，并具有完善的保护电路、电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。

摄像模块：我们采用两个摄像头的焦距不相同,这样做最大的好处就是无需通过非数码变焦的方式就可以扫描到距离较远的物体,并且实现物体放大的效果。双摄像头模块还可以实现更加流畅的缩放变焦,其次,双摄像头使用两个独立的模块,并且都拥有独立的功能。

激光模块：激光测距模块,测量更精准,测距误差小,量程可达350m,抗环境光,稳定性高,可适用于很多领域。

螺线管模块：我们采用精致铜线在电磁炮管上紧密排列20cm左右，绕5～6圈，留出正极和负极与电容正负极相连接。

电容模块:我们采用电容模块的作用就是激发磁场产生磁力发射电磁炮，对电容的要求也很高，我们采用470UF、400v的电容6个给螺线管提供稳定电源。

按键控制模块：我们的设计使用的按键比较多，我们在控制舵机启动和方向上通过按键控制，在电容充放电时也采用按键控制，在电容激发螺线管产生磁力的时候也采用按键控制，我们使用按键的作用：一是方便操作；二是提供安全稳定的环境，减少危险。

显示屏模块：显示屏的作用是能够显示舵机变化的角度和电磁炮发射到达距离相对原点的水平距离。

图2系统模块

2、基本工作流程

智能扫描定位电磁炮由直流稳压主控电源为STM32F103ZET6控制芯片和LM2596S驱动芯片提供电源，程序下载到STM32F103ZET6控制芯片中，通过按键调整好角度和距离我们把目标物放到指定位置，然后通过按键启动按钮开始发射电磁炮；还有一种方法是，一键启动，自动扫描定位，通过按下开始按钮，激光开始测距，摄像头自动扫描定位，锁定目标，反馈给STM32F103ZET6控制芯片，控制芯片把信号传给LM2596S驱动芯片，然后驱动舵机发生左右和上下方向调整，电容激发螺线管产生磁力，驱动电磁炮，当锁定目标之后电磁炮自动发送击中目标。

图3基本工作流程

3、系统理论分析与计算

3.1电磁炮参数计算

电容器的能量，是把电荷放到电容两端的能量积累。

由机械能守恒和以上公式可得下面公式，即可计算炮弹发射初始速度。

3.2弹道分析

由设计要求我们知道电磁炮做斜上抛运动。（如图4所示）

图4炮弹抛出运动路径

3.3能量计算

电容器的能量，是把电荷放到电容两端的能量积累。

4、电路与程序设计

4.1电路设计与参数计算

图5(a)为驱动线圈产生磁力驱动炮弹发射出去向目标击中，首先是通过25v稳定电源给电容充电，当电容充满电之后，，然后把电量给线圈驱动线圈产生磁力之后，当炮管中有炮弹之后就可以发射炮弹，我们通过开关按键控制既稳定又安全。图5(b）电路图实现的功能是通过两个舵机来实现炮管的上下左右运动，我们利用直角坐标形式，给定x,y的初始值，利用矩阵的形式找到所要锁定目标的点这样能够准确找到要求的点，即可锁定目标。

图5线圈驱动和舵机驱动模块

4.2执行机构控制算法与驱动

通过独立按键输入距离角度，再一键确定即可。首先通过图像处理技术，将采集的图像目标信息搜索出，根据图像信息计算目标距离，将计算的目标距离和角度转换为三维空间的坐标，电磁炮会根据距离选择充能时间，并且炮台会根据坐标计算云台运行的角度，最终锁定目标，发射炮弹。

电磁炮程序流程及核心模块设计包括程序功能描述和程序设计思路。程序功能描述描述如下：根据设计要求软件部分主要实现的按键设置和显示，键盘实现设置舵机上下左右转动方向，屏幕显示舵机相对原点偏转角度和距离。程序设计思路包括根据设计要求程序主要实现功能是把角度和距离显示在屏幕上面和驱动舵机实现角度变化。最主要的是通过激光和摄像头实现一键按下，即可自动扫描定位目标的功能。

5、结束语

我们设计的产品目前运用到生活中还是一片空白，我们还有很大的发展空间，我们的设计产品主要运用在盲区寻找物体，产品比较轻巧可以折叠存放，当我们的手链掉到草地上时，我们可以通过智能扫描定位电磁炮扫描定位目标帮助我们找到丢失的物品，还可以运用到农产品的除虫上，现在许多农产品都使用农药，我们的产品可以帮助除虫，给人们提供天然无公害的农产品，我们的设计产品还能够运用到军事上，目前还在突破中，希望未来能到当更广泛的运用。

参考文献：

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刘赛南,李东升,何月阳,王国权,周海军.智能扫描定位电磁炮设计[J].科学技术创新,2020(31):79-81.

基金:2020年大学生创新创业训练(2020CXXL092;2020CXXL103;2019CXXL150);滁州学院课程综合改革项目(2019kcgg201).