簡介2019年電子設(shè)計大賽電賽曲射電磁炮項目源碼包面向準(zhǔn)備電賽或?qū)﹄姶排诳刂聘信d趣的學(xué)生與工程師。壓縮包內(nèi)包含完整STM32F10x嵌入式工程既涵蓋直流電機(jī)/電磁驅(qū)動、MPU6050姿態(tài)解算、PID控制算法、串口通信等核心代碼也附有“第二次修改”的迭代版本便于對比優(yōu)化思路。資源共277個文件以C源碼.c、頭文件.h、編譯中間文件.o/.crf/_2i為主另有可執(zhí)行hex、電路工程配置與說明文檔整體體積僅1.45MB結(jié)構(gòu)緊湊且便于快速導(dǎo)入編譯。已有2469人學(xué)習(xí)/下載。對于希望復(fù)現(xiàn)國家獎作品、學(xué)習(xí)電磁炮發(fā)射控制與嵌入式系統(tǒng)整合應(yīng)用的讀者是一份高含金量的實戰(zhàn)參考資料。 解壓這個“2019電賽曲射電磁炮.7z”的時候我盯著文件夾里的源碼、原理圖和一組組標(biāo)定數(shù)據(jù)一下就想起了當(dāng)初那個被電容放電聲“啪啪”支配的夏天。這不是一個普通的例程包而是一套完整的電磁炮打靶系統(tǒng)高壓儲能、可控硅放電、線圈加速、機(jī)器視覺識別靶心、云臺自動瞄準(zhǔn)、彈道解算最后把一顆顆鋼珠打上靶紙。當(dāng)時這個題目難倒了不少隊伍不是難在某個單點而是難在“強(qiáng)電”和“弱電”要同時在一個巴掌大的炮臺上穩(wěn)定工作。這篇就當(dāng)一次遲來的項目復(fù)盤從賽題拆解、動力系統(tǒng)設(shè)計、瞄準(zhǔn)算法到調(diào)試排坑把里面真正值錢的部分?jǐn)傞_講。1. 賽題拆解與整體技術(shù)方案1.1 這道題到底在考什么2019年電賽的電磁炮題表面上要你做一個能發(fā)射鋼珠的電磁加速裝置實際上考的是三個層次的能力疊加。第一層是電力電子要把低電壓、小功率的電池能量在幾百毫秒內(nèi)集中變成一個大電流脈沖推動鋼珠出去。第二層是物理建模鋼珠出去后按照拋物線飛行怎么根據(jù)靶子距離反推出合適的發(fā)射角度和初速。第三層是自動化機(jī)器視覺識別靶心、計算偏差、驅(qū)動云臺調(diào)整角度形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。很多隊伍在第一層就翻車了因為高壓電容放電產(chǎn)生的電磁干擾實在太兇單片機(jī)直接死機(jī)、復(fù)位是常有的事。想把這題做好一開始就不能只把它當(dāng)成“電磁炮”而要當(dāng)成一個“高壓大電流系統(tǒng)精密控制子系統(tǒng)”的集成項目。前期的方案選型沒定好后面調(diào)起來全是坑。我當(dāng)時的思路很明確炮臺機(jī)械結(jié)構(gòu)盡量簡單把復(fù)雜度留給控制邏輯。炮管用單級線圈儲能電容上一組電解電容陣通過調(diào)節(jié)充電電壓控制彈丸初速瞄準(zhǔn)部分用攝像頭識別靶子加上一個二自由度云臺調(diào)整俯仰角和方向角。這套結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于單級線圈模型簡單、控制量少初速只和電容電壓強(qiáng)相關(guān)后期標(biāo)定彈道時用的維度少更容易穩(wěn)定命中。1.2 總體方案選型可控硅、電容陣與單片機(jī)動力回路的放電開關(guān)是關(guān)鍵。電賽里常見的方案有三種方案優(yōu)點缺點我的選擇大功率繼電器便宜、電路簡單觸點燒蝕、速度慢、壽命短不推薦大功率MOS/IGBT可控關(guān)斷、頻率高驅(qū)動復(fù)雜、耐壓選型難、易炸有一定基礎(chǔ)可嘗試可控硅SCR耐壓高、電流大、觸發(fā)簡單無法主動關(guān)斷、關(guān)斷靠電流過零首選我最后選了可控硅型號大概是額定電流50A以上的大封裝耐壓留了1.5倍以上裕量?？煽毓璧挠|發(fā)不需要復(fù)雜的驅(qū)動電路一個光耦隔離的觸發(fā)脈沖就能開通非常適合電賽這種追求穩(wěn)定性的場景。它不能主動關(guān)斷但電容放電本身就是振蕩衰減的過程電流過零后可控硅自然關(guān)斷反而幫我們省掉了泄放回路控制?？刂坪诵挠玫氖荢TM32F103系列攝像頭單獨(dú)用了一個OpenMV模塊。兩者之間走串口通信。OpenMV負(fù)責(zé)圖像識別和靶心坐標(biāo)解算把目標(biāo)在畫面中的位置傳給STM32STM32負(fù)責(zé)云臺角度閉環(huán)、電容充電電壓控制、觸發(fā)時序管理和發(fā)射邏輯。這里要提醒一句攝像頭別直接固定在底座上要固定在云臺的轉(zhuǎn)軸上和炮管保持固定相對位置。否則攝像頭看到的角度和炮管實際指向之間存在一個隨姿態(tài)變化的偏差軟件里要補(bǔ)償起來非常麻煩。我們當(dāng)時用了一個小支架把攝像頭剛性固定在炮管上方兩塊板子之間加橡膠減震墊防止放電瞬間的物理震動把圖像搞糊。2. 動力系統(tǒng)的核心設(shè)計儲能、放電與加速線圈2.1 儲能電容組設(shè)計與能量估算儲能部分用的是電解電容陣總?cè)萘孔龅搅?mF左右也就是2000uF耐壓450V。為什么選這個量級可以拿能量公式算一筆賬。電容儲能的能量是E 0.5 * C * U^2假設(shè)充電到300V那總能量就是0.5 * 0.002 * 300^2 90焦耳。當(dāng)時用的彈丸是直徑8mm的軸承鋼珠質(zhì)量大約2.1克。90焦耳的能量如果能全部轉(zhuǎn)化成動能初速可以到v sqrt(2*E/m) sqrt(180/0.0021)約290m/s這是非?？鋸埖乃俣攘?。但實際電磁炮的能量轉(zhuǎn)換效率很低線圈結(jié)構(gòu)、彈丸位置、觸發(fā)時機(jī)都會影響效率實際能做到15%到20%已經(jīng)算不錯。按10%算彈丸動能大概9焦耳初速也在90m/s左右打十幾米外的靶子綽綽有余。這個計算告訴我們一個核心結(jié)論想讓鋼珠飛得更遠(yuǎn)本質(zhì)是提高電容電壓而不是無腦加大電容。能量和電壓是平方關(guān)系電壓從300V提到400V能量直接翻了將近一倍但電容容量翻倍只會讓充電時間翻倍炮的威力提升有限。所以我們把充電電壓范圍設(shè)計在100V到350V區(qū)間通過一個可調(diào)目標(biāo)電壓的閉環(huán)充電電路來控制初速。充電電路用的是ZVS高壓模塊12V供電輸出可以到400V以上?？刂品绞绞窃诟邏狠敵龆擞秒娮璺謮翰蓸油ㄟ^比較器設(shè)定目標(biāo)電壓到了就切斷充電回路。這里有一個非常容易忽略的細(xì)節(jié)——ZVS模塊的輸出電壓紋波大采樣分壓電阻阻值要選大一點否則電阻上的功耗和發(fā)熱會很嚴(yán)重而且采樣線要遠(yuǎn)離放電線圈用屏蔽線走線不然充電過程中ADC讀到的電壓值會上下亂跳。2.2 可控硅觸發(fā)與線圈繞制細(xì)節(jié)可控硅的觸發(fā)電路看起來簡單實際踩坑最多。我們最初的觸發(fā)電路是直接把IO口經(jīng)三極管放大去推可控硅的門極結(jié)果是每次放電瞬間單片機(jī)必復(fù)位。問題出在強(qiáng)電回路的di/dt太大觸發(fā)線相當(dāng)于一根天線把放電瞬間的高頻干擾直接耦合進(jìn)了控制板。改法很簡單控制IO輸出脈沖先經(jīng)過光耦隔離再驅(qū)動一個觸發(fā)變壓器一個高頻磁環(huán)繞幾圈就行利用脈沖變壓器的次級去觸發(fā)可控硅門極。觸發(fā)線和門極走線盡量短最好用雙絞線并且和主功率回路保持一定距離。這樣改造之后誤觸發(fā)和單片機(jī)復(fù)位的問題基本絕跡。加速線圈是整個炮的“發(fā)動機(jī)”繞制工藝直接影響效率。我們用的漆包線直徑0.9mm繞了大約22匝內(nèi)徑比鋼珠直徑大0.3mm左右。這個間隙不能太大間隙大了漏磁多加速效率低也不能太小太小鋼珠在加速過程中容易卡住或者摩擦發(fā)熱。線圈繞好后用尼龍扎帶固定在一個塑料管外面塑料管內(nèi)壁光滑減少鋼珠運(yùn)動阻力。線圈兩端必須并聯(lián)一個續(xù)流二極管和壓敏電阻。因為可控硅關(guān)斷瞬間線圈上的感應(yīng)電動勢會反向沖擊如果不加保護(hù)這個高壓尖峰會直接擊穿可控硅。壓敏電阻的鉗位電壓要選在電容最高電壓的2倍左右太低會被正常放電誤觸發(fā)太高就起不到保護(hù)作用。后來我們實測壓敏電阻的發(fā)熱比主回路還明顯這個熱量要考慮到散熱設(shè)計里。3. 瞄準(zhǔn)與彈道解算從手動崩到自動命中3.1 視覺識別與測距方案自動瞄準(zhǔn)的第一步是讓系統(tǒng)知道靶子在哪。我們用OpenMV識別靶心靶子是白底上的紅色圓環(huán)或紅點顏色特征非常明確。OpenMV內(nèi)部用LAB顏色空間做閾值分割提取色塊后取中心點坐標(biāo)和半徑信息。這里有個經(jīng)驗不要只看像素坐標(biāo)最好把靶子的物理半徑已知條件和像素半徑結(jié)合起來估算距離。因為靶子尺寸是固定的離得越遠(yuǎn)像素半徑越小。公式很簡單distance (known_diameter * focal_length) / pixel_diameter但這個估算受攝像頭對焦和分辨率影響很大只能做一個粗測。更可靠的方式是配合一個激光測距模塊或超聲波測距激光測距模塊裝在炮管側(cè)面測量值通過串口傳給STM32。我當(dāng)時做的是雙保險先用視覺粗算距離再用激光測距精調(diào)兩個數(shù)據(jù)相差超過20%就報錯重測。視覺和云臺之間的坐標(biāo)變換是另一個容易糊涂的點。OpenMV給出的靶心坐標(biāo)是在圖像平面上的要想讓云臺對準(zhǔn)靶子需要把這個像素坐標(biāo)偏差映射成云臺需要轉(zhuǎn)動的角度。我們簡化處理先讓云臺在當(dāng)前位置掃描一個范圍當(dāng)靶心出現(xiàn)在畫面中心附近時記錄當(dāng)前云臺角度如果靶心偏左就向左轉(zhuǎn)具體轉(zhuǎn)多少由攝像頭分辨率和視場角決定。調(diào)試階段先手動標(biāo)定出“像素偏移量→云臺步進(jìn)數(shù)”的比例系數(shù)拿到賽場比賽時基本夠用。3.2 彈道模型與云臺控制策略鋼珠的飛行是拋物線運(yùn)動理想情況下水平射程公式是R v^2 * sin(2*theta) / g其中v是初速theta是炮管仰角g是重力加速度。如果初速已知就可以算出任意距離下需要的射角反過來如果角度固定也可以通過調(diào)節(jié)電壓也就是調(diào)節(jié)初速來控制射距。實際比賽時我們的策略是固定一個合適角度比如45度附近通過調(diào)電壓來覆蓋不同距離。因為電動云臺的俯仰步進(jìn)精度有限調(diào)角度不如調(diào)電壓來得細(xì)膩。但這只是理論模型。實際上線圈的加速效率、鋼珠的形狀、炮管的摩擦阻力、空氣阻力都會導(dǎo)致結(jié)果偏離。所以我當(dāng)時用了一個很土但很有效的辦法標(biāo)定表和插值。賽前在自己的場地從1米到8米每隔0.5米打一組記錄“距離-最佳電壓”對應(yīng)關(guān)系存成一張表。實際比賽中先測距查表得到起始電壓再根據(jù)命中點的偏差微調(diào)電壓。這個方法聽著不高級但穩(wěn)定性遠(yuǎn)超純理論計算。云臺控制用的是數(shù)字舵機(jī)。很多人覺得舵機(jī)精度不夠做瞄準(zhǔn)其實關(guān)鍵在于閉環(huán)。我們在舵機(jī)輸出軸上裝了一個磁編碼器用STM32讀取實際角度和指令角度比較后做PID修正。這樣即使傳動結(jié)構(gòu)有間隙或者皮帶打滑也能通過閉環(huán)拉回來。實測下來角度重復(fù)定位精度可以做到0.3度以內(nèi)足夠在5米外保證鋼珠落點偏差不超過10cm。4. 實戰(zhàn)調(diào)試中的踩坑記錄4.1 可控硅誤觸發(fā)一充電就自動發(fā)射這是整個項目最詭異的故障?，F(xiàn)象是電容電壓充到一半沒有任何指令可控硅突然導(dǎo)通“砰”一聲把鋼珠打出去。一開始以為是電壓過高擊穿把耐壓選型提高了還是不行。排查了很久最后用示波器抓觸發(fā)線波形才發(fā)現(xiàn)是充電升壓模塊的開關(guān)噪聲通過地線串進(jìn)了觸發(fā)回路達(dá)到了門極觸發(fā)電壓。解決辦法是徹底的單點接地控制板的地、觸發(fā)回路的地、主功率電容的地在電源輸入端一點匯合。觸發(fā)線改用雙絞屏蔽線屏蔽層單端接地。另外充電過程中軟件封鎖觸發(fā)IO平時把可控硅門極通過一個10k電阻拉到地防止噪聲積累出觸發(fā)電壓。這三個動作做完誤觸發(fā)徹底消失。4.2 電容充電慢ADC電壓讀數(shù)飄ZVS模塊雖然便宜但實際充電功率有限2000uF充到300V往往要二三十秒。比賽時如果第一發(fā)沒打準(zhǔn)重新充電等半分鐘心態(tài)直接崩。后來我們加了一級Boost預(yù)充電電路先把12V升到50V給電容組預(yù)充一部分再用ZVS模塊從50V往上充。雖然電路復(fù)雜度增加但充滿時間縮短到了10秒以內(nèi)可接受。電壓采樣飄的問題出在放電瞬間的強(qiáng)電磁干擾。ADC采樣線在放電時會感應(yīng)出很高的尖峰導(dǎo)致顯示電壓和實際電壓差幾十伏。處理方式是在采樣電阻兩端并聯(lián)一個100nF的陶瓷電容然后軟件上做多次采樣取中位值去掉最高和最低的幾個點。注意這個濾波電容要選耐壓足夠高的否則它自己先炸了。4.3 彈道散布大十發(fā)九不中即使系統(tǒng)穩(wěn)定了彈道本身的散斑也很折磨人。鋼珠如果圓度不好或者炮管和鋼珠之間有異物每次發(fā)射的初速和方向都會變。這一點在近距離可能看不出距離一超過3米就體現(xiàn)得淋漓盡致。我們做了三件事降低散布一是換用高精度軸承鋼珠一顆一顆挑選肉眼可見瑕疵的堅決不用二是把炮管從原來的PVC管換成了內(nèi)壁更光滑的尼龍管并且每次裝彈都用一個推桿舵機(jī)把鋼珠推到線圈后邊緣的同一位置三是每發(fā)射10發(fā)左右就清潔一次炮管內(nèi)部避免殘留的碎屑影響彈道。這套組合拳下來5米處的一個直徑20cm靶環(huán)命中率能從三成提到七成以上。5. 資料包內(nèi)容解讀與復(fù)現(xiàn)建議5.1 這個.7z里都有什么解壓后的目錄結(jié)構(gòu)大概是這幾個部分源碼、硬件、結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)、文檔。源碼主要是STM32的MDK工程包括云臺控制、電容充電、觸發(fā)邏輯、串口通信和狀態(tài)機(jī)OpenMV的Python腳本也在里面有顏色閾值配置和通信協(xié)議定義。硬件目錄里有原理圖文件PCB可能沒有成品但網(wǎng)絡(luò)連接和器件選型標(biāo)注得很清楚。結(jié)構(gòu)目錄里是炮臺的3D模型文件STL格式可以直接交給3D打印機(jī)打出來。數(shù)據(jù)目錄最有價值是當(dāng)時標(biāo)定出的距離-電壓映射表還有不同角度下的落點記錄。文檔目錄里則是賽題的思路分析、模塊拆分和組內(nèi)分工適合準(zhǔn)備比賽的隊伍用來參考。如果你也是參加電賽或者做類似高壓放電項目的學(xué)生拿到這個包建議不要一開始就照著源碼跑先看懂?dāng)?shù)據(jù)目錄里的標(biāo)定表理解電壓、距離、角度這三個變量之間的實際關(guān)系。代碼里的很多參數(shù)比如PID系數(shù)、舵機(jī)PWM范圍都是針對當(dāng)時機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)出來的直接套用大概率不工作必須重新標(biāo)定。5.2 復(fù)現(xiàn)時的硬件選型與避坑清單復(fù)現(xiàn)這個項目硬件上有幾個關(guān)鍵選擇值得注意。電容組建議選450V耐壓的電解電容單顆220uF到470uF并聯(lián)到總?cè)萘?.5mF到2mF。電壓上限控制在350V以下既能保證射程又能降低器件被打穿的幾率?？煽毓桦娏鞯燃壗ㄗh余量在50A以上觸發(fā)電流參數(shù)要匹配你的脈沖變壓器。線圈如果自己繞務(wù)必繞完測量電感值通常幾十到幾百微亨都是合理的過于偏大或偏小都會影響效率。還有幾個坑我?guī)湍闾崆芭诺簟５谝怀潆娔K和放電主回路之間要加一個隔離二極管防止放電瞬間反灌燒壞充電模塊第二散熱問題比想象中嚴(yán)重連續(xù)高速發(fā)射時線圈和壓敏電阻溫度會快速上升線圈加個小風(fēng)扇電容區(qū)和控制板隔開一段距離第三所有傳感器的供電不要用同一個線性穩(wěn)壓器攝像頭和激光測距模塊的電壓紋波會導(dǎo)致識別不穩(wěn)定建議分開供電。復(fù)現(xiàn)的時候最忌諱一上來就追求多級加速和自動全流程。先把單級線圈和手動電壓調(diào)節(jié)跑通能穩(wěn)定把鋼珠打出去再依次加入視覺識別、閉環(huán)充電、自動云臺。每一步都要單獨(dú)驗證穩(wěn)定性再往下一步走。我們當(dāng)時就是跳步太急結(jié)果系統(tǒng)一集成就各種怪問題排查效率極低。這個項目的魅力就在于它是一個完整的系統(tǒng)工程從物理到電路到算法都有內(nèi)容可挖。如果你準(zhǔn)備復(fù)現(xiàn)記住一個原則穩(wěn)定壓倒一切寧愿性能弱一點也要保證每發(fā)都落在可預(yù)測的范圍內(nèi)。把這個基礎(chǔ)打牢后面的所有功能都是在給這個穩(wěn)定的內(nèi)核加buff。本文還有配套的精品資源點擊獲取