2019全国大学生电子设计大赛（H题 模拟电磁曲线炮）

一、题目
自行设计并制作一个模拟电磁曲线炮，简称电磁炮。题目要求：
1.电磁炮能够在输入适当的距离D后，能将炮弹发射到该位置，且绝对偏差不大于50cm；
2.输入环形靶中心与定标点的距离d及与中心轴线的偏 离角度a ，一键启动后，电磁炮自动瞄准射击，按击中环形靶环数计 分；若脱靶则不计分；
3. 在指定范围内任意位置放置环形靶（有引导标识，参见说明 2），一键 启动后，电磁炮自动搜寻目标并炮击环形靶，按击中环形靶环数计分， 完成时间≤30；
4. 环形靶与引导标识一同放置在距离定标点 d=250cm 的弧线上（以靶心 定位），引导标识处于最远位置。电磁炮放置在定标点，炮管水平方向与中轴线夹角 a =-30°、仰角 0°。一键启动电磁炮，炮管在水平 方向与中轴线夹角 a 从-30°至 30°、再返回-30°做往复转动，在转 动过程中（中途不得停顿）电磁炮自动搜寻目标并炮击环形靶，按击 中环形靶环数计分，启动至击发完成时间≤10s。

二、原理分析
电磁炮又分为两种，一种是轨道炮，另一种是线圈炮。其原理大致都是相同的，都是利用电磁场下洛伦兹力的作用。由于本题目明确要求要使用线圈炮，因此这里就不对轨道炮做详细的说明，想了解的同学可以自行查阅资料。线圈炮，顾名思义是用线圈绕制而成，对电容充电，在通过主控单元搭配控制电路对电容进行放电，电容放电产生的瞬间大电流加到线圈上，缠绕线圈的炮管内部将会产生巨大的磁场，在磁场的作用下，炮弹受到洛伦兹力的作用射出跑口。炮弹发射到设定点的过程其实就是一个斜抛运动，这里就不多做解释了，不懂的同学可以自行查阅资料，毕竟这都是初高中的知识。具体怎样才能把炮弹准确发射到设定点呢？通过对初速度、发射角度精确控制，加入角度传感器实时反馈角度数据，就可以实现角度的精确控制。至于电磁炮的瞄准功能就要用到摄像头视觉捕捉来实现。以上就是整个电磁炮的原理分析以及实现方法讲解。
三、硬件电路
1.电源电路
本系统供电需要到+5V、+12V电源，采用的是直流稳压电源方案，通过变压器，整流桥，7805/7812稳压芯片分别得到 +5V、+12V。以下是电源方案的原理图：
2.zvs升压电路，也称零电压开关电路。所谓零电压开关电路，其实就是DC-DC开关电源电路的一种，它比普通开关电源能效高，在高频作用下，能大大降低开关电压的损耗，提高电源效率。一般的小功率软开关电源效率可提高到80%~85%。以下是其原理图及实物图（本项目使用的是现成模块）


4.放电电路
根据电容充放电时间，设计了一个放电电路，LM5111是一个双路 5A 复合成型闸极驱动器芯片，通过输入信号来控制MOS管的通断，从而实现电容对线圈电感瞬间放电目的。电路图以下所示：

4.隔离电路
由于电容对电感瞬间放电会产生很大的电流，存在场效应管被击穿的可能性，从而烧坏主控芯片引脚。因此，必须做好隔离措施。一开始我们想到的是使用运放隔离，通过电压缓冲器将将前级与后级隔离，但是实验过程中发现缓冲器的隔离效果并不明显，仅仅只是起到了阻抗变换的作用，最终我们不得不放弃这个方案，选择更为可靠的光耦隔离技术，且光耦响应速度快，成本低，易更换。保持输入端为低电平，当输入为高电平时，输出端输出高电平，反之输出端保持低电平。以下是该电路的原理图：

5.角度反馈电路
斜抛运动与初速度、发射角度有很重要的关系，因此，需要一个传感器来实时反馈角度给主控的单元进行适当调整，从而减小角度不精准所造成的误差，本项目使用的时现成的角度传感器模块MPU6050，芯片内部集成了三轴陀螺仪和三轴加速度传感器，通过IIC协议与单片机进行数据传输。原理图如下：

6.摄像头
题目要求电磁炮能够自动搜寻目标并炮击环形靶。因此，需要加视觉功能，可以使用摄像头来捕捉环形靶，所涉及到的算法这里就不多讲了（ps：博主对软件的东西有点头疼，哈哈哈），网上大把大把的历程可以参考。还有对于摄像头的选择，这里也不对加说明啦!!!我们比赛用的是这一款，是不是感觉像个8倍镜，哈哈哈哈、、、

7.激光测距模块
其实使用摄像头视觉捕捉，可以间接计算出电磁炮中心点到环形靶的直线距离，但是为了提高精度，我们还加入了激光测距模块，装在适当的位置，能直接测量出中心点到环形靶的直线距离。这是在某宝上买的测距模块，串口通信协议，能达到2mm的精度，大大减少了测量误差。

8.舵机云台支架
由于考虑到电磁炮发射炮弹瞬间的后坐力，一开始我们就放弃了使用舵机来搭建云台，选择使用自动生产线上常用的步进电机来控制云台实现水平垂直旋转，但是经过一系列验证我们发现使用步进电机搭建的云台难以精确控制，且体积过大，题目明确要求云台不能垫高，最终放弃了这个方案。都说好汉不吃回头草啊!我们这偏偏就吃伤了，还吃的贼香，好好好。材料清单里面出现了舵机，所以说还是有点道理的。

9.主控单元
看到别人对电赛主委会反馈的问题情况，我们慌得一批，H题不能使用现成的开发板，必须自制，犹豫了很久，还问了很多选择这题的同学，最后还是选择使用某宝现成的开发板，毕竟时间真的很紧很紧，管不了那么多了，只能摸着石头过河。这是我们这个项目使用的开发板。具体什么型号啊！有什么功能等等。。。我就不一一说明啦！免得让你们觉得我是搞销售的。


以上就是本次项目硬件部分，还有一些通用的模块没列出来，例如键盘、LCD显示屏、ST-link下载器、木板、线等等。这些零零碎碎的这里就不展开描述啦!毕竟你们都懂的。老实说吧！这个题目的难度还是在于电磁炮的制作，只要炮出来了，后面都是程序大佬们的事。
四、软件部分
这次比赛我只是负责硬件部分，软件部分仅仅只是略懂一二，就只点皮毛，我还是别出来丢人现眼啦！哈哈哈。。。。具体软件流程以及代码，很大可能会在后期开源，要回去跟软件大佬们商量商量，团队比赛讲究的就是团队精神。
五、总系统实物图
以下是我们做的电磁炮，这是还没布局固定好得，虽然长相十分丑陋，但是大家理解万岁啦！毕竟在那四天三夜里实在是很难憋出一个好东西。

六、比赛总结
四天三夜的比赛，时间可以说是非常的紧迫。第一天，我们都在查阅电磁炮相关资料，并且进行相关实验，由于缺乏这方面的了解，结果并不是很理想，一天迷迷糊糊就过去了。直到第三天的早上，我们才把电磁炮基本搭建出来测试，比赛时间已经过去一大半，慌得一批。到比赛结束那天早上，系统联调的过程中频频出现问题，我们变得更慌，老师一直陪伴鼓励着我们…最终经过三个多月的训练，大学生涯的最后一个暑假也贡献出去了，虽然过程很心酸，很辛苦，但是也很快乐，我们不仅仅收获了知识，还认识了一帮志趣相投的小伙伴，尝到过成功的甜头，也经历过失败的洗礼…这些早已超越了比赛的奖项。这篇博客是博主对整个电赛的最后一篇总结，写得不好或者有什么不对的地方，请指正，谢谢大家!

**注：这个整个项目的工程文件链接，包括电源电路、放电电路，电容充电电路的原理图及PCB文件，可以直接下载来用，无需修改，还有电磁炮模拟器修复及模拟器，可计算线圈匝数对子弹速度的影响，欢迎点击下载
https://download.csdn.net/download/weixin_43184208/11702520
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