2019 年TI杯全国大学生电子设计竞赛H题模拟电磁曲射炮

前言

首先要肯定电子设计竞赛的含金量，而也正是电子设计竞赛给了我本科阶段最好的体验。此文章介绍的作品是我所在团队于2019年参加电赛的参赛作品，在队友、指导老师的共同努力下有幸获得国家级二等奖。诚然，此作品确实存在很多不足，在此只是分享一下我们当时的方案和经历，供日后参加电赛的学生朋友们参考，不足之处望大家见谅。

完整题目

来自电赛官网：H题模拟电磁曲射炮

实现方案

本系统为自行设计并制作的模拟电磁曲射炮，采用STM32F1单片机作为控制核心，通过串口与外设模块进行通信；采用OpenMV作为图像传感器、TFmini激光测距模块作为距离传感器，通过PID等控制算法实现题目炮击功能。
云台：选用带有平台大圆盘底座的二自由度舵机云台
OpenMV：星瞳科技文档及教程
TFmini：北醒
HMI串口屏：淘晶驰
电磁炮：炮弹选用磁铁，注意炮管尺寸与炮弹形状匹配；线圈使用漆包线自行绕制，注意绕线尽量工整，线圈匝数适量；选用1000uf电容，充放电电路由直流稳压电源经升压模块升压后由12V升为75V，再经过继电器1与电容相连，通过使用单片机控制继电器1常开触点的通断来给电容充电。为了防止充电电流过大损坏继电器，在回路中串联了15欧姆的限流电阻。电容通过继电器2与电磁炮线圈相连，通过使用单片机控制继电器2常开触点的通断来给电容放电实现电磁炮的发射。

功能实现：硬件搭建结束后进行大量的舵机摆角和出射距离的测试，再进行线性拟合，确定部分区间的补偿偏置可近似实现给定距离的发射；发挥题目涉及自动寻靶，采用PID对舵机摆角进行调整，使靶心位于视野中央发射。

程序设计逻辑

外设逻辑：OpenMV实时处理图像确定目标靶位置，OLED实时显示由TFmini测得与目标靶的距离信息，HMI屏幕实时接收操控指令。以上OpenMV、TFmini、HMI各占用一个Usart，OLED遵循IIC协议。
开关逻辑：这里的开关指电磁炮充放电发射开关，依靠继电器实现。

/*
**********************************************************************
*函数名称：void vRelayContorl(void)
*函数功能：继电器控制电容充放电
*
*使用说明：无
*入口参数：无
*返 回 值：无
*
*函数作者：YJ_Xar
*创建日期：2019-8-8 11:26:28
**********************************************************************
*/
void vRelayContorl(void)
{   /*充电*/              ui_Timer1ms++;if(ui_Timer1ms <= 3500){HAL_GPIO_WritePin(C_Save_GPIO_Port, C_Save_Pin, GPIO_PIN_SET);HAL_GPIO_WritePin(C_Release_GPIO_Port, C_Release_Pin, GPIO_PIN_RESET);}/*过渡*/else if(ui_Timer1ms > 3500 && ui_Timer1ms <= 5000)HAL_GPIO_WritePin(C_Save_GPIO_Port, C_Save_Pin, GPIO_PIN_RESET);/*放电*/else if(ui_Timer1ms > 5000 && ui_Timer1ms <= 10000)HAL_GPIO_WritePin(C_Release_GPIO_Port, C_Release_Pin, GPIO_PIN_SET);/*防止首尾相接*/      else if(ui_Timer1ms > 10000 && ui_Timer1ms <= 11000)HAL_GPIO_WritePin(C_Release_GPIO_Port, C_Release_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

启动逻辑：先通过HMI选择题目序号，PID调整舵机角度，继电器控制电容充放电，实现题目功能。

测试方案

将系统接上电源，把完整程序下载至STM32F1单片机中，用触摸屏控制系统完成题目中的各项要求指标并记录。

根据上述测试数据，系统仍存在偏差，此偏差由激光测距模块长距离测量偏差造成；考虑到子弹外径与炮管内径的偏差，子弹在炮管中运动时速度发生改变，炮击精度较差。

程序源码

链接：https://pan.baidu.com/s/1gOhM6ySnaQ1uQtsrI-b76A
提取码：s1xl
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写在最后

1.电磁炮硬件电路
此题难点就在此处，比赛时也确实花费了很长时间搭硬件结构。首先，绕线圈，原则上线圈匝数、缠绕层数都是可以计算的，但一方面是不会算而现成计算工具涉及到的参数太多又比较难获取，另一方面是手动缠线圈缠得比较烦也没办法真的一圈圈去查，所以就看心情了，反正最后炮弹打多远影响因素也不止这一个，设计控制算法的时候一起debug了就得了。第二，电磁炮发射电路大概有可控硅方案和升压模块方案两种，因为需要的电压相对较高可控硅容易炸，实验室又有现成的升压模块，也就用上了，升压方案也是纠结了好久，因为一个升压模块可以将12V升到60V，但是60V电压不足以达到目标射程想到升压模块串联，由于开始选的电容和炮弹问题，电压升到120V也没射出去多远，当时因为电压太高有点害怕了(怕死第一名)，后来选用1000uF电容充电速度和电压等参数就与系统要求匹配了，碰巧实现了功能；最后，炮弹材质，备选炮弹有磁珠、磁铁，当时各种尺寸的磁珠买了好多，但是实际放入炮管里炮击距离实在是有限，当时还想继续升压尽量让磁珠打远一些，但是最远距离也不够两米；使用磁铁小圆柱是个必然的意外，淘宝买的电磁炮套件里包含磁铁，放入自己的炮管里直接就打飞了，新技能Get√(磁铁形状、尺寸要配合系统慢慢试进行选择)。
2.控制装置
此处要给指导老师点赞，在备赛期间要求各组开发一款适用于各类场景的开发平台，图里可以看出来是提前开好的PCB板，串口、PWM、IIC等各种接口和一些基础电路比如供电电路、电机驱动电路等都画在上面，用长排针把32所有引脚都引出来也就是同时保留了裸开发板的全部功能。节省比赛时间、优化硬件结构。
3.关于合作
首先，肯定指导老师的指导作用，备赛期间一定要配合老师的安排，对老师充满信心、完全信任。
最重要的是队友的配合，我的两个队友是我在本科期间遇到的最有价值的朋友，毕业后我们三个仍保持联系，互相帮助。团队分工是这样的，队友P写软件，队友W搭硬件，我软硬件都做一些，主要起软硬件相互联系的作用。这样的分工其实是因为我的两个队友是绝对硬件或绝对软件，而且实力很强，而赛题里乱七八糟的活儿，比如外设程序、通信程序等这些由我这个一瓶子不满半瓶子咣当的人来完成。互相信任是首要的，次者是本人适合团队协调，东北人儿善于发挥团队润滑剂的作用哈哈哈，团队任务冲突其实并不多见当然也不可避免，是好的团队关系才支撑大家一起攻坚克难。
4.其他
加一点运气，加一点开心，加一点热情。