基于OpenMV视觉伺服的高精度电磁炮实验装置系统
林政宇 王福杰 秦毅 郭芳 任斌
【摘? 要】目前，大多数高校缺乏能够快速提升学生动手能力的实验装置，论文设计了一种可以直接用于电路电子教学的电磁炮实验装置。装置由以STM32单片机为核心的控制模块、充放电模块、电磁炮发射模块、OpenMV视觉模块及操作模块组成。为实现对电磁炮发射目标的精确控制，采用OpenMV视觉测距模块对目标区域进行检测，并反馈至核心控制模块控制双舵机云台调整发射角度，通过驱动充放电模块设定电磁炮的推进量进行发射。实践证明，基于OpenMV视觉伺服的高精度电磁炮实验装置系统能根据目标区域快速调整自身的发射角以命中目标区域。
【关键词】电磁炮;实践教学;STM32单片机;视觉伺服;实验装置
【Abstract】At present， most colleges and universities lack the experimental device which can quickly improve students' hands-on ability. This paper designs an electromagnetic gun experimental device which can be directly used in circuit and electronic teaching. The device consists of a control module with STM32 single chip microcomputer as the core， a charging and discharging module， an electromagnetic gun launching module， an OpenMV vision module and an operating module. In order to realize the accurate control of the launching target of electromagnetic gun， the OpenMV visual ranging module is used to detect the target area， and feedback to the core control module to control the double steering gear pan tilt to adjust the launching angle， and the propulsion of the electromagnetic gun is set by driving the charging and discharging module to launch. Practice has proved that the experimental device system of high-precision electromagnetic gun based on OpenMV visual servoing can quickly adjust its launching angle according to the target area to hit the target area.
【Keywords】electromagnetic gun; practice teaching; STM32 single chip microcomputer; visual servoing; experimental device
1 引言
目前，大部分高校使用傳统实验箱装置开展电子电路设计、单片机设计等实验课程，此类实验箱存在功能单一、价格昂贵、可扩展性不强等缺点。因此，急需开发一套价格低廉、可操作性强的实验装置。
电磁炮演示装置利用“电生磁”与“磁生电”的物理原理实现对球体的发射，可通过单片机编程调整出炮管的发射角度，小型化、便携式的电磁炮实验教学装置能极大地提升学生的实验操作能力。目前，各大高校也纷纷采用电磁炮装置作为实验教学工具，然而从所检索到的数据来看，目前用于教学的电磁炮装置存在模型体积庞大、结构简单、实际功能较为单一等需要改进的地方，并且一般只具有储能与发射功能，远不能满足高校对电磁学的实验演示要求。本文研制了基于OpenMV视觉伺服的高精度电磁炮实验装置，涉及视觉伺服、机电一体化、电磁理论等诸多领域，具有效果直观、可操作性强、控制性能好等优点。使用该款装置能基本涵盖单片机的教学实践内容，也可通过增加功能动态适应单片机技术发展，最大化地增加了教具的趣味性和多样化特征。
2 总体方案设计与工作流程
该电磁炮教学装置大致可分为总控制模块、视觉分析模块、操作模块、充放电模块和发射模块，其中又可细分为控制电路、瞄准电路、测距电路、显示电路。控制电路包括依次连接的电源、单片机电路、升压整流电路、限流充电电路、稳压电路、继电器开关电路和发射电路;按键模块包括充放电开关、发射开关和距离输入按键;瞄准电路包括OpenMV模块和云台;测距模块包括超声波测距器;显示电路为加在单片机上的LED屏组成。其具体工作原理和步骤如下：
步骤1：在需要进行电磁炮演示实验时，首先，学生需先放置目标模型，插上24V电源1-1接口，为稳压器供电，继而通过稳压器1-2为其他元器件供电;其次，打开单片机1-3和OpenMV1-4的开关。
步骤2：当完成供电及打开开关后，OpenMV1-4自动进行定位，反馈输出信号给单片机1-3，运行代码程序，单片机输出信号控制双舵机1-15、1-16调整角度。
步骤3：当调整好角度后，超声波测距器1-5实时调整检测距离，并反馈至与单片机相连的LED屏1-6上供学生观看，通过按键模块输入距离。
步骤4：当学生在按键模块1-7上输入距离后，按键模块反馈距离至单片机1-3，并通过代码计算出偏角，调整炮管1-8上下偏角。
步骤5：当双舵机1-5调整好角度定住不动时，单片机1-3输出高电平信号给与升压模块1-9及超级电容1-10相连的继电器1-11，使其打开开关，将24V航模电池1-1供电升压到200V对超级电容1-10充电指时间。
步骤6：充电完成后，步骤3中所述继电器关闭。单片机1-3再输入高电平信号给与电磁炮上缠绕线圈及超级电容1-10相连的继电器1-11，使其打开开关，并放电指定时间。
步骤7：当电磁炮缠绕线圈通电时，电流经过缠绕线圈产生感应磁场，钢珠1-12在磁场力的作用下弹出炮管，精确击中目标。
3 机械结构及硬件设计
该电磁炮模型所有装置固定在一个水平的亚克力板1-13上，发射模块通过海绵垫用四个螺丝紧固底板，防止震动影响，其余模块通过双面强化胶固定，依次排列好，所用杜邦线也通过胶纸粘于板。瞄准电路的云台为双舵机水平360°、竖直270°旋转云台。且发射模块支撑部分，由凸型底座1-14为基座，一个舵机1-15放入底座中央使上部结构能水平360°旋转，同时，支撑部分的中央为一矩形结构，另一舵機1-16在其中使该矩形底边固定不动，其三边可与底边旋转270°范围。电磁炮的硬件控制电路由继电器、供电模块、STM32F4系列单片机、超级电容模块、舵机云台模块以及OpenMV和超声波模块组成。连接充电和放电模块的继电器开关均由单片机控制，同时，OpenMV和超声波模块各自的识别和测距也会传输至单片机，通过闭环反馈PID不断修正。由学生亲自输入单片机上LED屏数值后，控制发射。整体发射流程通过单片机与各模块之间的通信来控制。
电磁炮的理论基础是法拉第电磁感应定律。当通过闭合导体回路的磁通量发生变化时，导体回路中产生感应电流，感应电流流过的导线在原磁场中会受一个力的推动。假设驱动线圈脉冲电流为Iq，两者之间的互感为P，则两者之间沿线圈轴线方向的作用力为：
式中：F为弹丸所受的电磁力;B为炮管内部的磁场强度;q为弹丸的带电量;N为线圈匝数;v为弹丸垂直于磁场方向的运动速度;I为电流强度;t为通电时间。由此可知，当线圈匝数固定时，弹丸获取的动能与电容放电时提供的电压有关。由上式可知：①为了使弹丸获得尽量大的作用力F，线圈应与炮膛同轴，绕在炮膛外面，通过胶水或者支架安装在炮膛底部。②在线圈匝数一定的情况下，尽量缩短线圈的分布长度，故用粗导线绕制线圈，减小线圈的内阻。③通过不断测量，发现将弹丸放到线圈的末尾处，受到的电磁力做的功最多，获取的动能最大，弹射效果最好。
为了确保了超级电容的安全性，提高该装置的安全性，通过继电器开关将充放电两个阶段完全隔离开来。且该电磁炮模型装置，可以通过增加电容个数和缠绕圈数，控制发射的能量大小，提高了该装置的发射灵活性。电容储能能量大小可表示为：
式中：C表示电容量;U表示电压。当充电电压越高，电容容值越高，存储的能量也越高。而电容的容值同时也决定充电时间的长短，容值越高充电时间越长。根据电容充放电原理，自行搭建电路，电容充电时间短，且放电的瞬间可以产生巨大电能，通过升压模块，将电压储存在电容中，可以有效控制钢珠的发射。
4 软件设计
该教学用电磁炮模型包括自动和手动两种控制模式。由OpenMV摄像头实现目标追踪，锁定目标，超声波探测器探测距离，反馈至单片机。单片机控制放电电路的线圈电流进而控制发送角度。单片机通过Keil5搭建编译环境，控制在代码里面实现，采用PID算法进行闭环反馈。
5 结语
本文提出了一种教学用电磁炮装置，具有操作简单、效果直观、模式灵活等优点，可以设置自动和全自动模式，具有极高的教学纠错性，提高了教学的实际效果。
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