电磁曲射炮设计实践教学指导

高海涛，官邦贵，丁雨，王帅

（安徽科技学院电气与电子工程学院，蚌埠233030）

0 引言

随着全球特别是我国经济不断展，社会需求和经济更新促使着高校教育发生革新，办学定位逐渐开始细化，如与研究型大学相比，定位为应用型大学的高校，其办学目标是为社会培养大量优秀应用型人才，也就要求高校在人才培养过程更加重视学生的应用实践能力的培养。然而，在实际教学实践过程中，仍然存在着课程安排理论与实践脱节、实践课程安排不科学、实践教学质量低、人才培养方案有实践形无实践魂等一系列问题[1-6]。本文以案例式实践教学指导为题，对培养大学生综合实践素质的有效方式进行探索性研究与讨论。

电磁炮是利用物理学中运动电荷或载流导体在磁场中受到电磁力作用的基本原理来加速弹丸的装置，具有弹速快、隐蔽性强、安全性高等优点，是军事武器领域的重要研究对象[7-8]。本文实践教学任务是让学生利用所学电路设计、软件编程、硬件实现等知识，灵活采用电磁线圈、舵机、微控制器、摄像头、电源、开关等元器件搭建一电磁炮模拟发射系统。能够实现对靶点自动扫描、自动调整炮管和发射功能。该实践教学的重点并不在于让学生实现作品功能多么完善、参数调试多么优秀等方面，而在于通过科学的指导，能够让学生面对一个实际问题，如何综合利用所学知识解决问题的方法，培养其独立自主的思维习惯、善于动手解决问题，进而提高学生的应用能力。

1 任务实现方案指导

1.1 设计目标分析

学生拿到实践任务之后，首先应该要让学生学会分析题目要求，将目标进行分层次分解，最后将分模块连接互通，待理清设计思路之后再进行具体工作，才能顺利完成设计。在电磁炮模拟装置设计中可以分析出三个大体要求，即系统能够自动识别目标、自动对准、自动发射。可以确定大体的研究思路：通过控制云台的运动，使炮管水在平方位及垂直仰角方向上实现自动调节，用电磁力将弹丸射出，击中目标环形靶；由于目标空间分布较大，因此可以选用摄像头作为目标识别的传感器；炮弹的发射及发射距离可以通过控制发射电磁力来实现可控发射。系统大体控制思路可以画出一个如图1 所示的框图表示，关系直观明了，其硬件实现即可以按照这个思路进行组织与设计。

图1 电磁曲射炮控制系统设计思路

具体的工作过程为：通过摄像头采集靶点或引导标识的图像信息，并对其进行处理与计算，获取标识相对于电磁炮的位置，将其与给定量进行对比，由控制器计算出控制量，通过控制云台来来调整电磁炮姿态，实现自动瞄准和炮弹自动发射。

1.2 设计方案选择

设计方案的选择主要是指系统软硬件中元器件、编程语言、调试环境方面的选择。系统总体设计思路理清之后需要学生学会根据设计目标要求辩证地选择具体模块，要综合考虑性能、价格、体积、易获得性、设计者自身知识结构等，选出最适合自己或团队的元件。如电磁曲射炮模拟装置控制器和炮弹的选择可以对比选择。

主控芯片选择论证：①采用51 单片机作为控制器。51 单片机是八位的单片机，在图像处理等方面速度跟不上，所以弃用。②采用FPGA 作为系统的控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。但因其价格较高致使系统成本相应增加，其优势得不到完美体现。③采用ARM 处理器。STM32f103R8T6 处理器基于Cortex-M3 内核，集成了256K 程序存储器、3 个定时器、51 个I/O 口等资源；MK66FX1M0VLQ18 处理器，功能强大、具有高性能的模拟技术和丰富的外围模块，与STM32 相比，Flash 容量高达1080k，多达144 个I/O 口，标准频率高达180M，同时还支持FSMC 等丰富的功能，可扩展性强，开发环境使操作简便，低功耗效果好，价格适中、满足设计技术需求，且符合开发学生团队知识结构。通过对比论证，可以选择MK66FX1M0VLQ18 处理器作为系统的主控制器和信号图像信号处理单元。

电磁炮炮弹选择论证：①使用圆珠炮弹。圆珠炮弹占炮管面积百分比大，每次射出动能一定时，炮弹受力均匀故炮弹轨迹一致。②使用柱体炮弹。体积小，质量轻，只需很小的作用力便可射出很远，但圆柱炮弹占炮管面积百分比小，每次射出会造成一定误差使炮弹轨迹不一致。圆珠炮弹虽然射出轨迹稳定，但电容充电时间长，对电路设计提出较高要求，结合功能要求综合考虑，可以选择柱体炮弹。

2 系统设计实践

2.1 系统应用对象

对于在校学生来说，学习的专业理论和实践知识基本都是经典的，但社会需求技术领域却分布十分广泛，甚至是跨领域，对学生来说有些应用对象是陌生的。因此指导教师在实践教学过程中需要指导学生学会学习、消化吸收陌生领域技术。如电磁炮的工作原理在课堂上一般不会介绍，如图2 所示，需要学生查阅相关技术资料，通过自己掌握的物理知识消化吸收。在此过程中学生最容易气馁，但这也是未来从事技术工作必须经历的，让学生迎难而上，克服怕生的心理恐惧感。

图2 电磁炮工作原理

图2（a）中，当固定线圈接通电源时，所产生的磁场与弹丸上的可动线圈上的感应电流相互作用，产生洛伦兹力，推动弹丸加速射出，弹丸所受的推力可由式（1）表示：

其中，F 为洛伦兹力、If为固定线圈中的电流强度、Ip为弹丸线圈中的电流强度、M 为固定与可动线圈的互感、dM/dx 为互感梯度。由式（1）可知，固定线圈中的电流强度越大，弹丸线圈中的感应电流就越强，弹丸所受到的电磁力就越大。图2（b）为电磁炮驱动电路，电感线圈与整流二极管和三极管组成单管自激震荡电路，将低压直流电逆变为高压交流电，经整流二极管给储能电容充电。

2.2 软硬件设计

（1）硬件系统

进一步，将上市公司总体样本按国有企业和非国有企业分组进行回归，结果如表4所示。无论在投资过度的样本组中还是在投资不足的样本组中，国有企业样本组的Ece_L1回归系数绝对值均明显大于非国有企业样本组，P值也证实了这种差异的显著性，说明国有企业的投资效率对信心的敏感性更强，这证明假说1c成立。这意味着企业家信心指数的变动对于国有企业投资效率的影响更大，信心增长更易加剧国有企业的过度投资，也更易缓解国有企业投资不足问题。

硬件系统需综合考虑，整体布局。如主控板需要给摄像头、舵机、电磁炮电容等外围器件供电，因此主板需要良好的稳压功能。稳压芯片有线性稳压芯片和开关稳压芯片，各有优劣，开关稳压效率高重量轻，输出功率大，但输出噪声大，线性稳压源输入电压低但是反应速度快，而且稳定，综合考虑使用两者结合方式去稳压；摄像头与舵机采用LM1117-5v 去稳压，电磁炮电容使用LM2596ADJ 稳压。

（2）位置检测与系统控制

系统采用摄像头MT9V032 模块检测标靶实时位置，输出量为标靶距云台距离与标靶偏离中心轴线角度。其原理是通过MT9V032 检测回来的物体不同光线强度，分辨引导标志颜色与周围物体颜色形成强烈对比反差，然后将RGB 图先进性灰度化，再设置阈值将图像二值化，并滤除噪声，计算出标靶位置。信息采集流程如图3 所示。

图3 信息采集流程

系统控制算法采用PID 控制，设定标靶位置作为期望值，摄像头检测的实际标靶位置为测量值，两者之差作为PID 调节参数；随着标靶的位置改变，摄像头采集的数据通过PID 控制公式计算出云台控制系数，调节PWM 占空比来调节舵机转角来改变炮口姿态，紧盯引导标志；由于炮弹的受力大小直接由云台角度和电容充电时间决定，通过电磁炮充电时间、标靶角度，利用PI 控制器实现电磁炮发射时的炮弹动能大小控制，标靶距离以及角度直接看作控制环的反馈值，使电磁炮炮弹击中靶标。控制方法流程可由图4 框图描述。

图4 控制方法流程

3 系统集成、调试与文案撰写

3.1 系统集成与调试

实践设计课程技术层面的最后一步是系统集成和调试，即将软硬件系统组合成整机，并加以调试，使系统运作正常，虽然是最后一步，但也是最关键和最容易出现问题的一步，前期的严密论证工作可以减少出问题的概率。系统调试可以分块进行，将软硬件分成各个功能模块，逐级调试，碰到问题及时解决，待各个模块均调试成功，整机测试更容易获得成功，避免了一开始进行整体联动调试出现故障后，故障点难寻的局面。

图5 电磁曲射炮模拟实物图

调试中的遇到的细节问题各式各样，如学生在搭载机械结构的时候遇到了问题，拆了很多次，总是出现云台和电磁炮的高度与距离等不匹配情况，在一次次的整改和测试过程中，最终实现瞄准射击功能；硬件设计上，使用的电路板的接口和摄像头的接口不匹配，调试时学生外加了杜邦线，另外，为了使控制线圈电压稳

定输出，又增加了稳压模块；在软件的调试过程中也出现了很多的问题，如摄像头的聚焦不理想问题，经过多角度的调节最终达到理想效果。在细节性调试过程中问题有时复杂繁琐，需要培养学生的耐心和专注性。

3.2 技术文案

技术文案的书写在实践教学过程中通常是被忽略的重要内容。技术文案是对整个项目或产品的技术性描述，在企业中也称为技术文档，根据不同的受众对象又可以细分为研发文档和客户文档，书写合格的技术文档是企业对研发工程师的重要要求。指导教师在指导学生进行专业实践时，也应该指导学生学习如何书写技术文档。可以从设计报告升华为技术文档开始，慢慢培养学生书写技术文档的能力和习惯，为将来从事技术开发打好基础。教学实践中除练习书写技术文档之外，也可以让学生总结一下设计后的感想，加深课题认识和理解。

4 结语

实践教学是培养学生专业技术应用能力的有效途径，通过针对目标的设计实践活动能够直观地加深学生对所学理论知识的理解，提高学习的趣味性性，培养独立思考能力、团队协作意识。在此过程中，制定坚实科学的人才培养方案是实践教学成功的前提，指导老师的实践教学方法是核心。由于实践教学涉及内容较多，本文以电磁曲射炮的模拟装置设计为例，针对具体问题探讨了部分实践教学过程中如何培养和提高学生应用实践能力的方法。探讨对象从目标分析、方案选择、系统对象攻克、软硬件设计到技术文案书写，贯穿项目的整个设计流程。