簡(jiǎn)介2019年電子設(shè)計(jì)大賽電賽曲射電磁炮項(xiàng)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(dòng)、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(duì)比優(yōu)化思路。資源共277個(gè)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(shuō)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(duì)于希望復(fù)現(xiàn)國(guó)家獎(jiǎng)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(shí)戰(zhàn)參考資料。 解壓這個(gè)“2019電賽曲射電磁炮.7z”的時(shí)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(gè)被電容放電聲“啪啪”支配的夏天。這不是一個(gè)普通的例程包而是一套完整的電磁炮打靶系統(tǒng)高壓儲(chǔ)能、可控硅放電、線圈加速、機(jī)器視覺識(shí)別靶心、云臺(tái)自動(dòng)瞄準(zhǔn)、彈道解算最后把一顆顆鋼珠打上靶紙。當(dāng)時(shí)這個(gè)題目難倒了不少隊(duì)伍不是難在某個(gè)單點(diǎn)而是難在“強(qiáng)電”和“弱電”要同時(shí)在一個(gè)巴掌大的炮臺(tái)上穩(wěn)定工作。這篇就當(dāng)一次遲來(lái)的項(xiàng)目復(fù)盤從賽題拆解、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、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(gè)能發(fā)射鋼珠的電磁加速裝置實(shí)際上考的是三個(gè)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(gè)大電流脈沖推動(dòng)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(dòng)化機(jī)器視覺識(shí)別靶心、計(jì)算偏差、驅(qū)動(dòng)云臺(tái)調(diào)整角度形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。很多隊(duì)伍在第一層就翻車了因?yàn)楦邏弘娙莘烹姰a(chǎn)生的電磁干擾實(shí)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(gè)“高壓大電流系統(tǒng)精密控制子系統(tǒng)”的集成項(xiàng)目。前期的方案選型沒定好后面調(diào)起來(lái)全是坑。我當(dāng)時(shí)的思路很明確炮臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單把復(fù)雜度留給控制邏輯。炮管用單級(jí)線圈儲(chǔ)能電容上一組電解電容陣通過(guò)調(diào)節(jié)充電電壓控制彈丸初速瞄準(zhǔn)部分用攝像頭識(shí)別靶子加上一個(gè)二自由度云臺(tái)調(diào)整俯仰角和方向角。這套結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于單級(jí)線圈模型簡(jiǎn)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(shí)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(dòng)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(diǎn)缺點(diǎn)我的選擇大功率繼電器便宜、電路簡(jiǎn)單觸點(diǎn)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(dòng)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(jiǎn)單無(wú)法主動(dòng)關(guān)斷、關(guān)斷靠電流過(guò)零首選我最后選了可控硅型號(hào)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(dòng)電路一個(gè)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(chǎng)景。它不能主動(dòng)關(guān)斷但電容放電本身就是振蕩衰減的過(guò)程電流過(guò)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(gè)OpenMV模塊。兩者之間走串口通信。OpenMV負(fù)責(zé)圖像識(shí)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(tái)角度閉環(huán)、電容充電電壓控制、觸發(fā)時(shí)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(tái)的轉(zhuǎn)軸上和炮管保持固定相對(duì)位置。否則攝像頭看到的角度和炮管實(shí)際指向之間存在一個(gè)隨姿態(tài)變化的偏差軟件里要補(bǔ)償起來(lái)非常麻煩。我們當(dāng)時(shí)用了一個(gè)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(dòng)把圖像搞糊。2. 動(dòng)力系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)儲(chǔ)能、放電與加速線圈2.1 儲(chǔ)能電容組設(shè)計(jì)與能量估算儲(chǔ)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(gè)量級(jí)可以拿能量公式算一筆賬。電容儲(chǔ)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(shí)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(dòng)能初速可以到v sqrt(2*E/m) sqrt(180/0.0021)約290m/s這是非?？鋸埖乃俣攘恕５珜?shí)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(shí)機(jī)都會(huì)影響效率實(shí)際能做到15%到20%已經(jīng)算不錯(cuò)。按10%算彈丸動(dòng)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(gè)計(jì)算告訴我們一個(gè)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(wú)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(huì)讓充電時(shí)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(jì)在100V到350V區(qū)間通過(guò)一個(gè)可調(diào)目標(biāo)電壓的閉環(huán)充電電路來(lái)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^(guò)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(gè)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(diǎn)否則電阻上的功耗和發(fā)熱會(huì)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(guò)程中ADC讀到的電壓值會(huì)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(lái)簡(jiǎn)單實(shí)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(wèn)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(jiǎn)單控制IO輸出脈沖先經(jīng)過(guò)光耦隔離再驅(qū)動(dòng)一個(gè)觸發(fā)變壓器一個(gè)高頻磁環(huán)繞幾圈就行利用脈沖變壓器的次級(jí)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(wèn)題基本絕跡。加速線圈是整個(gè)炮的“發(fā)動(dòng)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(gè)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(guò)程中容易卡住或者摩擦發(fā)熱。線圈繞好后用尼龍?jiān)鷰Ч潭ㄔ谝粋€(gè)塑料管外面塑料管內(nèi)壁光滑減少鋼珠運(yùn)動(dòng)阻力。線圈兩端必須并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管和壓敏電阻。因?yàn)榭煽毓桕P(guān)斷瞬間線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)反向沖擊如果不加保護(hù)這個(gè)高壓尖峰會(huì)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(huì)被正常放電誤觸發(fā)太高就起不到保護(hù)作用。后來(lái)我們實(shí)測(cè)壓敏電阻的發(fā)熱比主回路還明顯這個(gè)熱量要考慮到散熱設(shè)計(jì)里。3. 瞄準(zhǔn)與彈道解算從手動(dòng)崩到自動(dòng)命中3.1 視覺識(shí)別與測(cè)距方案自動(dòng)瞄準(zhǔn)的第一步是讓系統(tǒng)知道靶子在哪。我們用OpenMV識(shí)別靶心靶子是白底上的紅色圓環(huán)或紅點(diǎn)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(diǎn)坐標(biāo)和半徑信息。這里有個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(lái)估算距離。因?yàn)榘凶映叽缡枪潭ǖ碾x得越遠(yuǎn)像素半徑越小。公式很簡(jiǎn)單distance (known_diameter * focal_length) / pixel_diameter但這個(gè)估算受攝像頭對(duì)焦和分辨率影響很大只能做一個(gè)粗測(cè)。更可靠的方式是配合一個(gè)激光測(cè)距模塊或超聲波測(cè)距激光測(cè)距模塊裝在炮管側(cè)面測(cè)量值通過(guò)串口傳給STM32。我當(dāng)時(shí)做的是雙保險(xiǎn)先用視覺粗算距離再用激光測(cè)距精調(diào)兩個(gè)數(shù)據(jù)相差超過(guò)20%就報(bào)錯(cuò)重測(cè)。視覺和云臺(tái)之間的坐標(biāo)變換是另一個(gè)容易糊涂的點(diǎn)。OpenMV給出的靶心坐標(biāo)是在圖像平面上的要想讓云臺(tái)對(duì)準(zhǔn)靶子需要把這個(gè)像素坐標(biāo)偏差映射成云臺(tái)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。我們簡(jiǎn)化處理先讓云臺(tái)在當(dāng)前位置掃描一個(gè)范圍當(dāng)靶心出現(xiàn)在畫面中心附近時(shí)記錄當(dāng)前云臺(tái)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(chǎng)角決定。調(diào)試階段先手動(dòng)標(biāo)定出“像素偏移量→云臺(tái)步進(jìn)數(shù)”的比例系數(shù)拿到賽場(chǎng)比賽時(shí)基本夠用。3.2 彈道模型與云臺(tái)控制策略鋼珠的飛行是拋物線運(yùn)動(dòng)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(guò)來(lái)如果角度固定也可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓也就是調(diào)節(jié)初速來(lái)控制射距。實(shí)際比賽時(shí)我們的策略是固定一個(gè)合適角度比如45度附近通過(guò)調(diào)電壓來(lái)覆蓋不同距離。因?yàn)殡妱?dòng)云臺(tái)的俯仰步進(jìn)精度有限調(diào)角度不如調(diào)電壓來(lái)得細(xì)膩。但這只是理論模型。實(shí)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(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏離。所以我當(dāng)時(shí)用了一個(gè)很土但很有效的辦法標(biāo)定表和插值。賽前在自己的場(chǎng)地從1米到8米每隔0.5米打一組記錄“距離-最佳電壓”對(duì)應(yīng)關(guān)系存成一張表。實(shí)際比賽中先測(cè)距查表得到起始電壓再根據(jù)命中點(diǎn)的偏差微調(diào)電壓。這個(gè)方法聽著不高級(jí)但穩(wěn)定性遠(yuǎn)超純理論計(jì)算。云臺(tái)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(shí)關(guān)鍵在于閉環(huán)。我們?cè)诙鏅C(jī)輸出軸上裝了一個(gè)磁編碼器用STM32讀取實(shí)際角度和指令角度比較后做PID修正。這樣即使傳動(dòng)結(jié)構(gòu)有間隙或者皮帶打滑也能通過(guò)閉環(huán)拉回來(lái)。實(shí)測(cè)下來(lái)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(diǎn)偏差不超過(guò)10cm。4. 實(shí)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(dòng)發(fā)射這是整個(gè)項(xiàng)目最詭異的故障。現(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(guò)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(guò)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(diǎn)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(diǎn)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(guò)程中軟件封鎖觸發(fā)IO平時(shí)把可控硅門極通過(guò)一個(gè)10k電阻拉到地防止噪聲積累出觸發(fā)電壓。這三個(gè)動(dòng)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(shí)際充電功率有限2000uF充到300V往往要二三十秒。比賽時(shí)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(lái)我們加了一級(jí)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(shí)間縮短到了10秒以內(nèi)可接受。電壓采樣飄的問(wèn)題出在放電瞬間的強(qiáng)電磁干擾。ADC采樣線在放電時(shí)會(huì)感應(yīng)出很高的尖峰導(dǎo)致顯示電壓和實(shí)際電壓差幾十伏。處理方式是在采樣電阻兩端并聯(lián)一個(gè)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(gè)點(diǎn)。注意這個(gè)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(huì)變。這一點(diǎn)在近距離可能看不出距離一超過(guò)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(jiān)決不用二是把炮管從原來(lái)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(gè)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(lái)5米處的一個(gè)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(gè).7z里都有什么解壓后的目錄結(jié)構(gòu)大概是這幾個(gè)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(tái)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(tái)的3D模型文件STL格式可以直接交給3D打印機(jī)打出來(lái)。數(shù)據(jù)目錄最有價(jià)值是當(dāng)時(shí)標(biāo)定出的距離-電壓映射表還有不同角度下的落點(diǎn)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(duì)伍用來(lái)參考。如果你也是參加電賽或者做類似高壓放電項(xiàng)目的學(xué)生拿到這個(gè)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(gè)變量之間的實(shí)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(duì)當(dāng)時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)出來(lái)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(shí)的硬件選型與避坑清單復(fù)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目硬件上有幾個(gè)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?jí)建議余量在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(cè)量電感值通常幾十到幾百微亨都是合理的過(guò)于偏大或偏小都會(huì)影響效率。還有幾個(gè)坑我?guī)湍闾崆芭诺?。第一充電模塊和放電主回路之間要加一個(gè)隔離二極管防止放電瞬間反灌燒壞充電模塊第二散熱問(wèn)題比想象中嚴(yán)重連續(xù)高速發(fā)射時(shí)線圈和壓敏電阻溫度會(huì)快速上升線圈加個(gè)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(gè)線性穩(wěn)壓器攝像頭和激光測(cè)距模塊的電壓紋波會(huì)導(dǎo)致識(shí)別不穩(wěn)定建議分開供電。復(fù)現(xiàn)的時(shí)候最忌諱一上來(lái)就追求多級(jí)加速和自動(dòng)全流程。先把單級(jí)線圈和手動(dòng)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(shí)別、閉環(huán)充電、自動(dòng)云臺(tái)。每一步都要單獨(dú)驗(yàn)證穩(wěn)定性再往下一步走。我們當(dāng)時(shí)就是跳步太急結(jié)果系統(tǒng)一集成就各種怪問(wèn)題排查效率極低。這個(gè)項(xiàng)目的魅力就在于它是一個(gè)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(gè)原則穩(wěn)定壓倒一切寧愿性能弱一點(diǎn)也要保證每發(fā)都落在可預(yù)測(cè)的范圍內(nèi)。把這個(gè)基礎(chǔ)打牢后面的所有功能都是在給這個(gè)穩(wěn)定的內(nèi)核加buff。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取