【全国大学生电子设计竞赛】2019电赛H题复盘录——电磁曲射炮+综合测评
这是我本科阶段的最后一战，本来期待一个完美收官，但是意外频频，打的不尽如人意，但收获还是有的，故在此复盘，留下一些可供后来人参考的东西。
在此感谢我的队友CJC,WJJ,陪我一起熬夜！
笔者才疏学浅，如有错漏之处，还请告知于我及时更正，感激不尽！
1 国赛的备赛（赛前一个月）
我们组确定了做控制类的题目，也就是说会选择飞行器或另一道典型控制题，所以在硬件的准备上，我主要着重于控制板的设计与调试以及飞控的调试，后来因为听说飞行器题目限定使用德州仪器的芯片，所以后期的重心主要在另一道控制题目上，我的队伍准备了：
- STM32F407主控板（带有MPU6050/9250接口,7线OLED显示模块,一组SPI,4个ADC通道，4个DAC通道，4个定时器通道，4个串口，6个按键，2个LED,1个蜂鸣器,1套SPI,1套IIC）
- 电源板（12V直流输入，12V/5V直流输出，2个直流电机驱动，2个步进电机驱动，4路舵机驱动）
- 图像处理板（使用STM32H7,刷写micropython固件，可使用OpenMV的IDE编程，摄像头型号OV7725）
- 无线调参器（用于快速地，实时地调节参数，带一块4.3寸液晶屏，8个按键，2个电位器旋钮，1个无源蜂鸣器，1个RGB灯，1个外置FLASH芯片）
4块板子统一了接口，可以用防反接的端子线互连
我的队友负责驱动代码的维护，确保每个模块都可以成功驱动（OLED，蜂鸣器，舵机，步进电机，直流电机，陀螺仪，串口，ADC，DAC，IIC，SPI）
反思：
- 在准备过程中，存在由于任务分配不均导致的部分队员怠工的现象（广泛存在于各组，不是个案，不是所有人都是为了参赛的学习，有些人就是只想混个经历）。这种情况就需要多沟通，高年级学生作为实验室的主导者，不能无视，更不能
同流合污。否则会陷入恶性循环！ - 测试好的的代码包，需要在必要的地方添加注释，方便在使用时快速移植
- 飞行器题目由于涉及到机器视觉，德州仪器的MSP430/432系列很难满足要求，DSP对于使用者的技术要求又偏高，所以在芯片限定上势必会适当放宽，准备期间的担心不成立（放弃飞行器的关键应该是实验室不具备调试飞行器的场地条件）
2 国赛进行时
拿到题目，在注意到飞行器题目需要SD卡后果断放弃（我的图像处理板没有画SD卡），开始准备 H题-电磁曲射炮。
我把整个工作分为以下几个部分
- 电磁炮及其驱动
- 视觉部分（寻找靶标）
- 炮台控制
- 论文撰写
以下详细介绍各部分的分析与落实情况:
（1）电磁炮及其驱动:
电磁炮通过在网上搜索资料有了初步的理解，在了解了射程的要求后，我们认为单级线圈就可以满足题目要求的出射速度（事实上也的确如此），遂开始绕制线圈，开始使用电源组的漆包线绕制线圈，漆包线很细，导致线圈内阻很大，在使用电源箱测试时，短路电流也上不去（约7A@60V,等效内阻8.6Ω，可以说是相当大了），反复的测试还导致线圈发热脱胶（这不就是电热丝？），后来到电机维修的店里买了粗的漆包线，绕制了约150匝，线圈内阻就很小了。
【完整参数：约150匝，漆包线直径1.25mm,电阻约20mΩ】
内阻问题解决，电流可以上去了，但是通过计算可以看到，理论短路电流已经达到了3000A@60V,如此大的电流电源箱如何招架？就算存在,热功率也达到了180kW,这是不现实的，何况我们需要的是瞬时放电，所以大电容是再好不过的选择了，由于要求可控，需要一个开关来控制电容对线圈放电回路，我们找了一个空气开关来临时实现（在后期替换为MOS管，毕竟发射需要电控），经过测试，使用螺丝/铁钉作为炮弹时，绕制的线圈炮可以达到要求,（因为发射时炮弹获得的动能大致是固定的，动能E=1/2mv^2，只有质量m小一些，才能获得较大的速度v,当然，质量太小的物体在飞行时受到气流影响较为明显，主要表现为弹道发飘，落点不固定，因此需要在质量m与速度v之间做取舍）。
为确保精度，炮台使用了步进电机（航向与俯仰，共两个步进，使用16细分）,步进电机驱动代码由大二队友负责，为了实现炮台两周的角度闭环，使用定时器充当了一个模拟编码器，对输入步进驱动器的脉冲进行计数，只要步进电机不丢相，根据脉冲数就可以确定步进电机当前的角度。
（2）视觉部分（寻找靶标）
使用了自制的摄像头板，刷写了micropython的固件，所以可以使用OpenMV的IDE进行编程，寻找靶标的逻辑比较简单：先找红色色块的区域，在色块附近区域使用霍夫变换的方法找指定半径范围内的圆，此算法相比于全图像霍夫变换，效率奇高（78fps），ov7725在不做任何处理的情况下，也就78fps左右以至于我都误以为帧率刷新的代码写错了。后来担心由于光照原因导致色块识别出错，改成了灰度图直接霍夫变换找圆，只不过对ROI做了一个固定的限制（上下端部分不要），测试帧率在60fps左右。最后，使用串口以115200的波特率将圆形圆心的坐标发出，同时带有固定帧头帧尾校验和无圆心的特殊标志位，并且为方便调试，识别到靶标时，亮红色LED作为提示。全部代码实现后，实测帧率40-50fps左右，满足要求。
（3）炮台控制
炮台航向的控制非常简单，不再做过多叙述，在此详细介绍炮台俯仰的控制（俯仰角控制炮弹的垂直出射角）。
首先，根据高中物理可知，在理想情况下（无空气阻力，炮弹出射动能恒定，出射点与着弹点在同一水平处），45°出射时射程最远。具体公式我在比赛的时候推导过（但是现在找不到了），炮口在45°时，无论上抬还是下抬，着弹点都会向出射点靠近。但是要注意一点，很少有人的出射点是和地面水平的，也就是在炮弹发射之后，在达到与出射点同一水平高度时，还将继续飞行一段时间。
通过计算，考虑出射点高于实际着弹点情况下，在机械结构本身产生误差角δθ时，高射方式（大于45°出射）比低射方式（小于45°出射）产生的误差δx要小，但是由于我们炮台机械装置的局限，迫不得已采用了低射方式，不过在后续实测中，这点误差无关紧要。
在炮台控制中，射程主要和线圈的初始放电电压（电容电压）、炮弹形状材质、线圈匝数、炮弹在炮膛中的位置和出射角有关，前4个变量都可以被控制成常量，所以只需要控制出射角这一变量即可改变射程。出射角与射程的函数关系非常重要，由于公式推导复杂，我们采用直接的实测数据来拟合出这一函数关系。拟合的方式采用分段折线拟合，（多项式拟合在最后被实践证明为最不靠谱的拟合方式）。
（4）论文撰写
论文撰写部分完全交给了组内大一学弟负责。
反思：
在这个环节我犯了不少错误，也反映在这个过程中，我没有做好一个合格的领导者。以前我习惯单打独斗，软硬件都是自己来，这次比赛还是没有适应过来，虽然我主要做控制算法和视觉算法工作，但还是想每个部分都插一手，搞得其他两个队员很不满意，总感觉我在否定他们的工作。
此外，我自身没有形成比较权威的领导力也是一大问题，队里大二的队员本身实力较强，在写步进驱动代码的时候有很多自己的想法，经常以“我觉得没必要”驳回我的建议，当时考虑到队伍情绪问题没有做过多干涉，结果在后期写控制算法的时候才尝到恶果，这位兄弟的变量名取的模棱两可，他自己调用完全没问题，我在衔接的时候晕头转向。因此，我的建议是，在团队合作中，多沟通，及时消除所有拒绝合作的苗头；对于不好的编程习惯，一定要尽早杜绝。在代码交接的部分，一定要规范命名，多写注释！
在比赛过程中，我一开始在调一个激光跟随的发挥部分，做好之后发现我们的基础功能还没实现（此时已经过去大半天），才开始调基础功能，后来时间仓促，这个发挥部分也没有用得上。可以说白白浪费了许多时间。后来使用调参器改造成遥控，加上了预测弹道和着弹点的界面，感觉在界面花了太多时间，虽然最后这个部分得到了评委的肯定，但是如果用这个时间去打磨我们的基础部分，效果会更好。所以，做比赛还是应该按部就班，不要好高骛远。
在基础部分中，要求键盘给定距离和角度，当时图方便，航向角步进3°，射程步进5cm，（最后也没有改动）。比赛现场评委指定了20°位置，航向角的初始值为0°，我们的设置只能到18°或21°，导致总是打偏。
此外，没想到用来判断落点的所谓高速相机，竟然是评委的眼睛！（笑），然后是通过一个沙盘来判断落点。我现在才意识到沙盘的高度相当于缩短了我在上文图片中标出的ΔH,而且由于我们采用的是低射方式，距离越近，误差就越明显！我们在自己标定的时候，都是直接在瓷砖地面标定的（也有在厚的瑜伽垫标定的，这样就很逼近赛场情况了），2cm的沙盘，最大可以产生6cm的射程误差，我也总算理解了为什么比赛时落点总是比自己实测的时候短一点了。（很气）
3 综合测评备赛（赛前一周）
主要看了前几年的真题，在Multisim仿真了一下，也把部分电路在洞洞板上搭了一下，发现有源滤波的截止频率计算比较复杂，理论计算、仿真结果，bode图分析以及实物实测出来的参数竟然都各不一样。最后决定：如果遇到滤波，直接采用无源滤波的方案，幅值小就用运放放大。这部分准备较为充分。
准备了士力架，不吃午饭以省下午餐时间。
4 综合测评进行时
拿到题目不久，已经有了方案：
- 方波：运放正反馈出个方波，由于压摆率问题导致波形不好看，送到与非门整形，一次整形不好看，再整一次（使用运放*1，与非门*2）
- 正弦：三阶无源低通，后接反向比例放大(使用运放*1)
- 矩形波：方波通过电位器给电容充电，和方波送入与非门，调节电位器可调节电容电压上升时间，从而在与非门输出可调脉宽矩形波。（使用与非门*1）
- 余弦：方案A:对正弦积分使用（运放*1）；方案B:信号过低通移相后放大（运放*1）【此想法未尝试，不保证有效】
比赛的时候不知为何，我的滤波器突然失效，队友的反向比例放大始终没有增益，就卡在这个问题直到比赛结束，大家都很绝望……
这个问题的出现是真的是没想到，感觉这就是“不可抗力”吧。
写在最后
比赛结束后，我的队友都比较沮丧（我也是），这世间最难过的事不是“做不到”，而是“本可以”。
诚然，比赛的成功是对参赛者能力的肯定，比赛的失利却绝不是对参赛者能力的否定，做学问需要不卑不亢，十年磨剑才是做学术的正确态度。谨记：功不唐捐，玉汝于成！