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摘要：系统采用STM32F407作为控制核心，实现了模拟电磁曲射炮（以下简称电磁炮）的能量管理与发射控制，电磁炮可在水平方向及垂直方向调节并自动瞄准目标进行发射。硬件电路由单片机最小系统、电源模块、触摸显示模块、摄像头模块、舵机稳压模块、云台、电磁炮构成，通过串行同步数据收发接口进行各模块间的通信。软件采用测量所得的定标点与环形靶之间的距离、环形靶与中轴线的夹角对云台的仰角进行控制。最终实现了电磁炮定点炮击环形靶和往复转动直至完成寻找目标并炮击环形靶的功能。
关键词： STM32F407;电磁炮;摄像头;云台
一、系统方案设计
1.1系统结构
本模拟电磁曲射炮装置主要包括单片机最小系统、电源模块、键盘显示模块、摄像头模块、云台、电磁炮。电磁炮与与云台相连，通过对云台舵机的控制来控制电磁炮的转向与发射角度。其中云台和电磁炮为执行机构。单片机通过摄像头和超声波模块获取方向值和距离来对环形靶进行精确定位，确定其坐标位置，单片机根据返回的坐标值利用开环控制系统，对云台的仰角进行确定，使炮弹精确击中环形靶，实现了电磁炮定点炮击环形靶和往复转动直至完成寻找目标并炮击环形靶的功能。
1.2方案选择
1.2.1
采用ARM Core—M4内核的STM32F407系列的单片机—STM32F407ZGT6为主控芯片。它的运算速度快，片上资源丰富，具有很多外围接口，可拓展性强，灵活性高。完全可以实现本系统的各个设计任务，具有良好的响应速度。
1.2.2检测环形靶方向的传感器模块的选择
安装OpenMV微型机器视觉模块，OpenMV是一个开源，低成本，功能强大的机器人视觉模块，内置图像处理算法，通过简单的编程即可将实现想要的功能，简单实用，但像素不高，不能完成高像素的处理任务。
1.2.3检测环形靶距离的传感器模块的选择
安装普通的超声波模块。性能高，电压宽，价格低，测试周期短，与软件完全兼容。
1.2.4 电磁炮设计方案的选择
以低压直流电源和电容为主的充电电路制成的电磁炮。直接通过低压直流电源给电容充电，无需任何模块，节省了使用空间和制作成本，同时更加安全。但是电磁炮的射程受到限制，距离过远时不宜使用。
1.2.5控制开关的选择
采用光耦隔离继电器控制，该继电器属于电磁继电器，支持高低电平触发，驱动能力强，性能稳定，体积小，使用方便。
1.2.6 显示器及触摸键盘的选择
由于本系统需要在显示器上显示键盘和距离参数以及键盘输入的距离和角度值，普通的显示器不能满足需求，所以我们采用TFTLCD屏来进行显示。
二、系统理论分析与计算
2.1电磁炮参数分析
电磁炮的电路主要由充电电路和放电电路两部分组成，电源采用直流电源。核心部件是充电电路的低压直流电源和电容。低压直流电源能够直接给电容充电。电容则采用两个“63 V，10000uF”的大电容并联。电磁炮的炮管由漆包线缠绕的PVC管制成，长约18cm，线圈匝数在150匝左右，实验炮弹由普通的锥头代替，长度为2.7cm，质量为0.2g。
2.2弹道分析
炮弹以速度v出膛后，做斜上抛运动，水平方向保持匀速直线运动，垂直方向做竖直上抛运动，根据高度h及竖直上抛运动中增加的高度Δh可以确定运动时间t，从而确定水平位移x，进而打中环形靶。
2.3能量分析与计算（理想情况化）
电磁炮是利用电磁力代替火药爆炸力来加速弹丸的电磁发射系统，当系统控制电磁炮开始炮击时，电源给电容充电，将电能储存在电容中，电容储能公式如下：
W=1/2CU2
充好电后，自动断电，电容开始放电，通过线圈将电能转化为磁能，转换公式如下：
1/2CU2=1/2LI2
三、电路与程序设计
3.1硬件电路设计
本模拟电磁曲射炮装置主要包括单片机最小系统、电源模块、键盘显示模块、摄像头模块、云台、电磁炮。
3.2.程序设计
3.2.1程序功能描述
根据设计要求，软件部分主要实现键盘的设置与显示。
键盘实现功能：采用触摸键盘实现功能，键盘配置有数字0-9、Dis、Ang、Stop、Start、Mode、DEL等几部分。Dis用于设置距离，Ang用于设置角度，数字0-9用于设置Dis与Ang。Stop用于停止动作，Start控制程序启动。Mode控制要执行的模式，DEL是删除键，可以在设置数值的时候进行修改。
3.2.2程序设计思路
进入系统，先选择进入校准模式，按键调节云台的仰角与水平夹角，并保存为初始值;程序开始后，首先选择要选用的模式（对应的要求）：
模式一：直接点击开始键，通过单片机使电容充放电，将炮弹打出。
模式二：通过键盘输入距离d，单片机根据线性关系式，求出相应的仰角，然后将炮弹打出，精确击中环形靶。
模式三：通过键盘输入距离d及偏离角度α，直接转动相应的角度，利用线性关系是式，将炮弹打出，击中环形靶。
模式四：一键启动，通过控制OpenMV模块转动来确定定标点的方向，然后通过超声波模块测出环形靶与定标点的距离，进而确定云台仰角，使炮弹精确击中环形靶。
四、系统测试
4.1测试方案
1、硬件测试
对各个模块进行测试，测试通过后使用。
2、软件仿真测试
通过produce对程序进行仿真，对程序错误和不能正确实现的部分进行调节和改正。
3、硬件软件联调
将程序下载到单片机中，对整体功能的实现进行进一步调节。
4.2测试结果及分析
4.2.1测试结果（数据）
1.基本部分测试
（1）测试一：将弹丸放入炮管，判断弹丸是否能射出炮口。
（2）测试二：将环形靶放置在靶心距离定标点d处（含引导标识），且在中心轴线上的位置处，键盘输入距离d，电磁炮将弹丸发射至该位置，记录距离偏差a1。
（3）测试三：用键盘给电磁炮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α，一鍵启动后，电磁炮自动瞄准射击，记录击中环形靶的环数a2。
4.2.2测试分析与结论
根据上述测试数据，由此本模拟电磁曲射炮装置可以得出以下结论：
（1）通过实验证明，本装置可以完成炮管水平及垂直方向调节、定点打靶以及自动搜寻目标进行打靶等功能，基本完成了设计的要求。
（2）在完成题目基本要求的情况下，将调节性能尽可能地优化，很好地完成了设计要求。
综上所述，本模拟电磁曲射炮装置基本达到设计要求。
参考文献
[1]黄强，郭东桥，卞光荣电磁炮的原理与技术发展[W].
[2]电磁炮百度百科[W].
（中北大学朔州校区 山西 朔州 036000）
关键词： STM32F407;电磁炮;摄像头;云台
一、系统方案设计
1.1系统结构
本模拟电磁曲射炮装置主要包括单片机最小系统、电源模块、键盘显示模块、摄像头模块、云台、电磁炮。电磁炮与与云台相连，通过对云台舵机的控制来控制电磁炮的转向与发射角度。其中云台和电磁炮为执行机构。单片机通过摄像头和超声波模块获取方向值和距离来对环形靶进行精确定位，确定其坐标位置，单片机根据返回的坐标值利用开环控制系统，对云台的仰角进行确定，使炮弹精确击中环形靶，实现了电磁炮定点炮击环形靶和往复转动直至完成寻找目标并炮击环形靶的功能。
1.2方案选择
1.2.1
采用ARM Core—M4内核的STM32F407系列的单片机—STM32F407ZGT6为主控芯片。它的运算速度快，片上资源丰富，具有很多外围接口，可拓展性强，灵活性高。完全可以实现本系统的各个设计任务，具有良好的响应速度。
1.2.2检测环形靶方向的传感器模块的选择
安装OpenMV微型机器视觉模块，OpenMV是一个开源，低成本，功能强大的机器人视觉模块，内置图像处理算法，通过简单的编程即可将实现想要的功能，简单实用，但像素不高，不能完成高像素的处理任务。
1.2.3检测环形靶距离的传感器模块的选择
安装普通的超声波模块。性能高，电压宽，价格低，测试周期短，与软件完全兼容。
1.2.4 电磁炮设计方案的选择
以低压直流电源和电容为主的充电电路制成的电磁炮。直接通过低压直流电源给电容充电，无需任何模块，节省了使用空间和制作成本，同时更加安全。但是电磁炮的射程受到限制，距离过远时不宜使用。
1.2.5控制开关的选择
采用光耦隔离继电器控制，该继电器属于电磁继电器，支持高低电平触发，驱动能力强，性能稳定，体积小，使用方便。
1.2.6 显示器及触摸键盘的选择
由于本系统需要在显示器上显示键盘和距离参数以及键盘输入的距离和角度值，普通的显示器不能满足需求，所以我们采用TFTLCD屏来进行显示。
二、系统理论分析与计算
2.1电磁炮参数分析
电磁炮的电路主要由充电电路和放电电路两部分组成，电源采用直流电源。核心部件是充电电路的低压直流电源和电容。低压直流电源能够直接给电容充电。电容则采用两个“63 V，10000uF”的大电容并联。电磁炮的炮管由漆包线缠绕的PVC管制成，长约18cm，线圈匝数在150匝左右，实验炮弹由普通的锥头代替，长度为2.7cm，质量为0.2g。
2.2弹道分析
炮弹以速度v出膛后，做斜上抛运动，水平方向保持匀速直线运动，垂直方向做竖直上抛运动，根据高度h及竖直上抛运动中增加的高度Δh可以确定运动时间t，从而确定水平位移x，进而打中环形靶。
2.3能量分析与计算（理想情况化）
电磁炮是利用电磁力代替火药爆炸力来加速弹丸的电磁发射系统，当系统控制电磁炮开始炮击时，电源给电容充电，将电能储存在电容中，电容储能公式如下：
W=1/2CU2
充好电后，自动断电，电容开始放电，通过线圈将电能转化为磁能，转换公式如下：
1/2CU2=1/2LI2
三、电路与程序设计
3.1硬件电路设计
本模拟电磁曲射炮装置主要包括单片机最小系统、电源模块、键盘显示模块、摄像头模块、云台、电磁炮。
3.2.程序设计
3.2.1程序功能描述
根据设计要求，软件部分主要实现键盘的设置与显示。
键盘实现功能：采用触摸键盘实现功能，键盘配置有数字0-9、Dis、Ang、Stop、Start、Mode、DEL等几部分。Dis用于设置距离，Ang用于设置角度，数字0-9用于设置Dis与Ang。Stop用于停止动作，Start控制程序启动。Mode控制要执行的模式，DEL是删除键，可以在设置数值的时候进行修改。
3.2.2程序设计思路
进入系统，先选择进入校准模式，按键调节云台的仰角与水平夹角，并保存为初始值;程序开始后，首先选择要选用的模式（对应的要求）：
模式一：直接点击开始键，通过单片机使电容充放电，将炮弹打出。
模式二：通过键盘输入距离d，单片机根据线性关系式，求出相应的仰角，然后将炮弹打出，精确击中环形靶。
模式三：通过键盘输入距离d及偏离角度α，直接转动相应的角度，利用线性关系是式，将炮弹打出，击中环形靶。
模式四：一键启动，通过控制OpenMV模块转动来确定定标点的方向，然后通过超声波模块测出环形靶与定标点的距离，进而确定云台仰角，使炮弹精确击中环形靶。
四、系统测试
4.1测试方案
1、硬件测试
对各个模块进行测试，测试通过后使用。
2、软件仿真测试
通过produce对程序进行仿真，对程序错误和不能正确实现的部分进行调节和改正。
3、硬件软件联调
将程序下载到单片机中，对整体功能的实现进行进一步调节。
4.2测试结果及分析
4.2.1测试结果（数据）
1.基本部分测试
（1）测试一：将弹丸放入炮管，判断弹丸是否能射出炮口。
（2）测试二：将环形靶放置在靶心距离定标点d处（含引导标识），且在中心轴线上的位置处，键盘输入距离d，电磁炮将弹丸发射至该位置，记录距离偏差a1。
（3）测试三：用键盘给电磁炮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α，一鍵启动后，电磁炮自动瞄准射击，记录击中环形靶的环数a2。
4.2.2测试分析与结论
根据上述测试数据，由此本模拟电磁曲射炮装置可以得出以下结论：
（1）通过实验证明，本装置可以完成炮管水平及垂直方向调节、定点打靶以及自动搜寻目标进行打靶等功能，基本完成了设计的要求。
（2）在完成题目基本要求的情况下，将调节性能尽可能地优化，很好地完成了设计要求。
综上所述，本模拟电磁曲射炮装置基本达到设计要求。
参考文献
[1]黄强，郭东桥，卞光荣电磁炮的原理与技术发展[W].
[2]电磁炮百度百科[W].
（中北大学朔州校区 山西 朔州 036000）