2019年电赛H题:模拟电磁曲射炮相关资料

本文给出相关资料目录,在不同的楼层中给出有关知识介绍,欢迎大家补充。比赛完成后建议分享你的创作思路,举一反三。

请注意:不要在这里发专门针对本次比赛的电路图、程序代码、CAD文件。可以解析题意、讨论基础知识、分享文献,坚决抵制抄袭舞弊。

模拟电磁曲射炮( H题)【本科组】

一、任务

自行设计 并制作 一模拟电磁曲射 炮(以下简称电磁炮) ,炮管水平方位及垂直仰角方向可调节, 用电磁力将弹丸射出 ,击中目标环形靶(见图 3),发射周期不得超过30秒。电磁炮由直流稳压源供, 电磁炮系统内允许使用容性储 能元件。

二、要求

电磁炮与环形靶的位置示意如图1 及图2 所示。电磁炮放置在定标点处,炮管初始水平方向与中轴线夹角为0°、垂直方向仰角为0°。环形靶水平放置在地面,靶心位置在与定标点距离200cm≤d≤300cm,与中心轴线夹角a≤±30°的范围内。

1.基本要求

(1) 电磁炮能够将弹丸射出炮口。

(2) 环形靶放置在靶心距离定标点200~300cm 间,且在中心轴线上的位置处,键盘输入距离d 值,电磁炮将弹丸发射至该位置,距离偏差的绝对值不大于50cm。

(3) 用键盘给电磁炮输入环形靶中心与定标点的距离d 及与中心轴线的偏离角度a,一键启动后,电磁炮自动瞄准射击,按击中环形靶环数计分;若脱靶则不计分。

2.发挥部分

(1) 在指定范围内任意位置放置环形靶(有引导标识,参见说明2),一键启动后,电磁炮自动搜寻目标并炮击环形靶,按击中环形靶环数计分,完成时间≤30s。

(2) 环形靶与引导标识一同放置在距离定标点d=250cm 的弧线上(以靶心定位),引导标识处于最远位置。电磁炮放置在定标点,炮管水平方H - 3 / 4向与中轴线夹角a =-30°、仰角0°。一键启动电磁炮,炮管在水平方向与中轴线夹角a从-30°至30°、再返回-30°做往复转动,在转动过程中(中途不得停顿)电磁炮自动搜寻目标并炮击环形靶,按击中环形靶环数计分,启动至击发完成时间≤10s。

(3) 其他。

三、说明

1. 电磁炮的要求

(1) 电磁炮炮管长度不超过20cm,工作时电磁炮架固定置于地面。

(2) 电磁炮口内径在10-15mm 之间,弹丸形状不限。

(3) 电磁炮炮口指向在水平夹角及垂直仰角两个维度可以电动调节。

(4) 电磁炮可用键盘设置目标参数。

(5) 可检测靶标位置自动控制电磁炮瞄准与射击。

(6) 电磁炮弹丸射高不得超过200cm。

2. 测试要求与说明

(1) 环形靶由10 个直径分别为5cm、10cm、15cm、… 50cm 的同心圆组成,外径50cm,靶心直径5cm,参见图3。

(2) 环形靶引导标识为直径20cm 的红色圆形平板,在距靶心30cm 处与靶平面垂直固定安装,圆心距靶平面高度30cm。放置时引导标识在距定标点最远方向。参见图1。


题目解读:

该题目综合性很强。完成该题需要解决如下问题:

(1)2自由度云台

(2)初速稳定的电磁炮

(3)自动控制及人机界面

可见该题考察了电气、电子、机械、自动化等领域知识的综合运用和工程实践能力,拔高的话还可以用机器学习啥的来指导瞄准,难度偏高。


A、关于2自由度云台

这是目前监控领域已经普及的东西,自己做的话用两个步进电机,自己做机械结构件(例如通过3D打印),在配合适当的驱动电路即可完成。如果电炮较轻,可以考虑用两个航模舵机来制作。由于允许的准备时间较长(30s),因此不用纠结XY摆式结构还是云台结构,直接云台结构就可以了。由于比较常见,不再赘述。


B、关于电磁炮

该电磁炮的关键是初速要稳定,也就是说每次发射的弹丸,飞行速度最好差不多快,不然外弹道无法预测,就很难打准。

在题目规定的尺寸下,可行的基本方案有磁阻炮和感应炮。后者的设计制作复杂一些,建议不予考虑。因此,应当以磁阻炮作为重点来研究。

影响磁阻炮初速的因素很多,但是大部分因素在磁阻炮制作完成时就固定了,比如线圈的圈数,子弹的长度等。所以主要考虑容易发生变化的两点:子弹的初始位置、线圈的电压。

这就提示该炮的充电电路必须限压或者稳压,比如采用200V电压给电容充电,充满时的电压最好能稳定到5%以内,不因等待时间不同而变化。而且,为了适应不同环境,电压要准确可调。

出题人应该非常清楚市场上电磁炮套件的情况,选取了一个市面上罕见的炮口尺寸,各位自求多福


C、关于自动控制

题目要求自动寻的(自动寻靶)。做过小车的同学应该对此不陌生,通常用摄像头作为传感器。需要注意历届采用类似方法的电赛题,评比现场的环境光线、背景颜色往往成为巨大的不可控因素,因此在摄像头上要做遮光措施,在软件中要有相应的对策。题目中似乎靶是固定且距离已知的,如果距离未知,还需要测距,那么可以用两个摄像头解决。由于弹丸速度不高,且题目中没有提到考虑风的影响,因此外弹道非常接近于抛物线,基本上可以用解析方法(建立坐标系以后用抛物线方程,选择其中一个解,比较直观的是高弹道)预测,试射校准,因此能够用确定的算法求解发射角度。对于炮管扫描的情况,其实相当于在出爣瞬间赋予了一个水平速度分量,影响很小而且可以解析修正,说不定瞄准和发射过程中装置的震动影响更大。当然时间够用的话,也可以用一些高级算法来修正空气阻力的影响,理论基础是外弹道学,工程应用是火炮自动瞄准、自动操瞄系统。

[修改于 9 天前 - 2019-08-10 01:43:24]

来自 电磁炮
11
2019-8-7 12:43:54
虎哥(作者)
1楼

[修改于 12 天前 - 2019-08-07 17:56:54]

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2楼

关于“电磁炮”的部分。

关于电容。这道题对出速的要求无比的低。按2m水平距离,2m射高限制算,出速不能大于6.45m/s。留些余量的话,也许5m/s左右的速度就比较合适。这个速度对电磁炮来说是非常低的,比如一个典型的单级磁阻炮,就足以将弹丸加速到十几到三十m/s左右,因此大可不必担心电磁炮的出速不够用。反而需要用比较小容量的储能电容,比如330V,几十uf(或者相同储能的其他电压的电容),来避免射高超标。对于电解电容来说,这种参数的电容尺寸,视工艺的不同,应当在“大拇指第一个关节”到整个大拇指的大小之间。如果没有这么大的电容,可以用多个电容并联,增加总储能。如果手头电容的储能都太大,可以不给它充满。



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3楼

关于弹丸。题目没有要求弹丸形状,所以建议用球形弹丸,就是钢珠。因为其他形状的弹丸会在空中翻滚,影响精度。这个速度下,弹丸翻滚对精度的影响虽然不一定很大,但是毕竟能避免点是一点。

另外条件允许的话,每次发射都应当用新的弹丸,因为弹丸发射后会被“磁化”,对出速的精度有影响。之前在一次实验中观测到过,没发射过的弹丸(圆柱形),出速要比发射过的弹丸低1m/s左右。比如没发射过的是26m/s,发射过后再发射就是27m/s,这个速度变化非常稳定且可以复现。对于之前用的圆柱形弹丸,磁化会让弹丸速度变高。对于这里建议用的钢珠,由于钢珠会转……磁化会带来一些随机误差。当然由于具体情况差别很大,在这道题中是否会出现这种问题还不明。不过同样是,影响精度的地方能避免点是一点。

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4楼

关于线圈。建议绕成这种形状(截面图)

即线圈总长度等于内径的2倍,线圈外径等于内径的3倍。这种形状的线圈在相同的电阻损耗功率下,可以在中心产生最强的磁场。

确定形状之后,线圈的匝数和线径就只需要确定一个参数就能确定另一个了。具体的取值没有可行的徒手计算的方法,建议用这个模拟器算 https://www.kechuang.org/t/83783 其中有些颇为令人费解的地方,可以参考这篇教程 https://tieba.baidu.com/p/6168947442

如果之前有经验的话,也可以用Ansys Maxwell算,可以弄出一些对写报告颇有帮助的图片,当然如果之前没用过的话,请务必用那个模拟器。

绕出一个整齐美观的线圈是颇为费时费力的 https://www.kechuang.org/t/78650。考虑到这个题目对出速的要求很低,我们并不需要高效率,所以完全可以弄一个骨架然后“乱绕”,就是不把线排成整整齐齐的。这样会让填充率下降一些,理论上应当会降低到整齐密绕的60%左右。会降低一些效率,不过影响不大。

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5楼

关于一些细节问题。

首先这道题不需要做多级!不需要做多级!不需要做多级!所以不用浪费时间去看光电开关之类的东西……

然后,电容电压对精度的影响也很大。所以买电容充电电源的时候,一定要注意买“稳压的”。淘宝上很多电容充电模块,特别是基于“zvs”的,都是先把电容充到一个比较高的电压,然后彻底关掉模块。这段时间里电容电压会因为漏电而缓慢下降,降到一个比较低的值之后,模块再开始工作,重新把电容充到那个比较高的电压。如下图

这种模块会导致发射的时候电容电压不确定,弹丸出速也就不确定,影响精度。而带稳压的模块,会在电容电压达到预定值之后,继续以小功率输出,补充电容漏电损耗的能量,使电容电压保持恒定。所以一定要买带稳压的模块,比如这个 https://www.kechuang.org/t/84313

再然后,这道题对精度的要求无比的高。最严格的情况是在300cm上达到5cm(±2.5cm)的精度。这个要求下,元件的温度特性可能会产生很大的影响。比如电解电容随着温度上升,容量会增加,内阻会减小,导致弹丸出速变高。所以很多电磁炮都是连续发射几次后,做足了“热身运动”,效果会比原来好不少,比如出速从80m/s升到90多m/s。我们这里显然不希望这样的速度变化,所以建议用薄膜电容 https://www.kechuang.org/t/79600 当然我们这里不会遇到“连续发射造成的大量发热”主要是为了避免调试场地和测评场地空调开得不一样的影响。

[修改于 12 天前 - 2019-08-07 14:49:49]

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6楼

不要用高压电容,用比较大容量的开关电源串联,并联足够的电容提高瞬时电流,电压64V基本就足够了,线圈用1mm漆包线绕,电感100uH足够

线圈驱动使用FET,用单片机精确控制导通时间,用时间来控制射程。线圈做功的伏*秒参数,只有时间比较容易精确控制



[修改于 12 天前 - 2019-08-07 16:54:53]

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7楼

感觉这样会弄出来一群不太老实的青年,真的怕有人拿来打人。

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8楼

再提另一件事,应该尽可能延长加速段后的管材长度以提高弹丸受力不平衡的影响,能够提高精度。

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虎哥(作者)
9楼
引用 3DA502 发表于 6 楼的内容:
不要用高压电容,用比较大容量的开关电源串联,并联足够的电容提高瞬时电流,电压64V基本就足够了,线圈.....

因为弹丸位置不同,不同的t,出速并不线性,还是很难搞,也只能校准几个点备选。可靠的办法依然是固定容量/电压,取得固定速度(可以是两三组固定的速度),依靠炮兵计算方法来调节仰角,评比前校准(要有校准手段和校准程序,参考火炮试射),使弹着点接近目标。

[修改于 12 天前 - 2019-08-07 16:27:55]

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10楼

@Van轨道真要这么说,科创做的东西都有危险,正常人不会闲的没事去搞事情的

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11楼
引用 WangGC 发表于 8 楼的内容:
再提另一件事,应该尽可能延长加速段后的管材长度以提高弹丸受力不平衡的影响,能够提高精度。

炮管限长20cm

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12楼
引用 jimmy06 发表于 11 楼的内容:
炮管限长20cm

多谢指出,不过“延长加速段后的管材”和规定长度其实没多大关系

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13楼
引用 虎哥 发表于 9 楼的内容:
因为弹丸位置不同,不同的t,出速并不线性,还是很难搞,也只能校准几个点备选。可靠的办法依然是固定容量.....

我提议的这种方案是:64V恒压源+FET+精确导通时间 


我个人感觉这个方案比较合适,适合低能量磁阻加速,传统的堆高压SCR控制方案追求的是高能量,这里不太合适照搬,论坛里有不会升压的小朋友做过电池串联的72V低压电磁gun,以前看视频是能响,从感官上说明,这个低压拓扑是走得通的。

这个方案理论上的好处就是降低升压系统复杂度,降低储能电容杂散参数影响,用MOS控制大电流的通断方便调谐加速值




[修改于 12 天前 - 2019-08-07 17:38:39]

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14楼

3米距离的话,我考虑的是能否用US-100超声波测距模块实现自动寻靶,我现在就在准备这场电赛,而且选的就是H题

(目前大一,在当炮灰

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虎哥(作者)
15楼
引用 技术小白2333 发表于 14 楼的内容:
3米距离的话,我考虑的是能否用US-100超声波测距模块实现自动寻靶,我现在就在准备这场电赛,而且选.....

超声波的确可以看到引导标识,不过要达到较高精度有困难。如果要打10环,就是2.5米距离上误差不超过2.5厘米,水平方位角精度约为正负0.5度,考虑下能否达到。

另外作为一个瞄准手段,它的精度应当远高于整个系统,因为还要给发射具和飞行中的随机误差留下空间,如果他们有2厘米误差,那么瞄具就只能有0.5厘米误差了(如果降低命中概率要求,可以降低精度要求)。

要保证机械结构有足够的刚度,并且方位角参考面要合理,。以便到了现场只需粗略的摆放好就能打准,而不是还要现场先把装置底座安放准确。

[修改于 12 天前 - 2019-08-07 19:09:44]

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16楼
引用 虎哥 发表于 15 楼的内容:
超声波的确可以看到引导标识,不过要达到较高精度有困难。如果要打10环,就是2.5米距离上误差不超过2.....

谢虎哥,确实在这块我疏忽了不少尤其是机械结构强度上,原有的极简设计看来得做不少改动。原先的设想不大稳当,而且重心偏离。。。。索性支架还算够用

至于精度方面。。。当初考虑的也不是很多,毕竟时间和编程能力的限制(用的也不是啥好舵机),它如果能上靶就已经挺知足了_(:з」∠)_

不过之后有机会的话倒是确实想把这套东西再做一遍,感觉也挺有意思的,看看有没有空闲吧(再有俩星期就能放假了

[修改于 12 天前 - 2019-08-07 21:22:40]

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2019-8-8 01:52:28
虎哥(作者)
17楼
引用 WangGC 发表于 8 楼的内容:
再提另一件事,应该尽可能延长加速段后的管材长度以提高弹丸受力不平衡的影响,能够提高精度。

『我反对』

就力学原理来说,只要进入被动段,钢珠和炮管尺寸配合得当,钢珠的运动轨迹就受到炮管完美约束。加长炮管,并不能起到更多的导向作用。

相反,加长炮管有如下坏处:

1,难以预测的摩擦损耗(与仰角有关),影响速度精度。

2,长炮管在发射时易振动变形,影响方向精度。

3,低速钢珠与炮管壁长时间非均匀摩擦,会滚转。滚转的钢珠在空气中会偏向(空气动力学原理决定,打过乒乓球就会有直观感受)。尽管偏得不多,但相对于题目精度来说,恐怕会有严重影响。

电磁动力和气体动力(火药本质上也是气体动力)发射器的内弹道特性不完全一样,切勿照搬。

4,说到内弹道,需要指出的是,炮管必须通风流畅(采用透风的结构为弹丸定位),否则弹丸尾部形成真空,会极大的影响出速,炮管越长影响越大。如果通风不畅,漏多少空气进去会受温度等因素影响,明显增加出速不确定度。

[修改于 11 天前 - 2019-08-08 02:21:31]

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18楼
引用 3DA502 发表于 6 楼的内容:
不要用高压电容,用比较大容量的开关电源串联,并联足够的电容提高瞬时电流,电压64V基本就足够了,线圈.....

题目中已经要求了“炮管水平方位及垂直仰角方向可调节”,已经有了两个可变参数(水平和俯仰角),足够覆盖一个二维的靶平面。所以不宜再引入一个弹丸出速的变量,会大幅度增加复杂度。

另外题目要求了“使用直流稳压电源供电”,所以不能用通常意义上的那种接市电的开关电源,得淘宝找低压的dcdc升压模块。

当然用mos管是可以的。可以用固定导通时间的mos管做开关。这样可以用特别大容量的电容储能,消除掉电容温度特性造成的影响。能取得与“薄膜电容+SCR的方案”一样的效果……既不更好也不更坏……可能的优势在于dcdc模块比高压电容充电模块好买一些。

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19楼
引用 虎哥 发表于 17 楼的内容:
『我反对』就力学原理来说,只要进入被动段,钢珠和炮管尺寸配合得当,钢珠的运动轨迹就受到炮管完美约束。.....

的确,角度变化欠考虑了。

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2019-8-9 12:27:43
2019-8-9 12:27:43
虎哥(作者)
20楼

时间已经过去两天了,坑开始暴露了注:本层观点可能存在重大偏差,详情请见26楼的回复

常见电炮套件的弹丸直径,在4~8mm。题目要求炮管内径10~15mm,为了提高精度,弹丸当然是选大一点的好,比如12mm正公差内径的炮管,配12mm弹丸。于是,有人用常见方案,能量不足,只能尿几十厘米高

这就需要进行简单的总体设计。需要根据要求,确定总体的方案,其中最基本的,就是能量要求。

设弹丸直径12mm,普通钢珠,有

\[m = \sigma V = \sigma \frac{4}{3}\pi {r^3} = 7.9 \times {10^3}({\rm{kg}}/{{\rm{m}}^3}) \times \frac{4}{3} \times 3.14 \times {(6 \times {10^{ - 3}})^3} \approx 7.14 \times {10^{ - 3}}{\rm{kg = 7}}{\rm{.14g}}\] 

在磁阻炮爱好者圈子里,这是有史以来公布过的最重的弹丸(也许没有之一)。

为了留有裕量,假设弹丸最高能飞2m高度,有

\[{E_p} = mgh = 7.14 \times {10^{ - 3}}{\rm{(kg)}} \times {\rm{9}}{\rm{.8(m/}}{{\rm{s}}^2}{\rm{)}} \times {\rm{2(m)}} \approx ({\rm{1}}{\rm{.4}} \times {\rm{1}}{{\rm{0}}^{ - 1}}){\rm{J = 0}}{\rm{.14J}}\] 

单级电磁炮的效率有多高呢?根据一般经验,在没有能量回收的前提下,单次发射,对于圆柱形弹丸,可以做到1%以上;考虑到时间有限,随便做做,能到0.5%就不错了。如果是钢球弹丸,那就只有0.2%左右。留有裕量的情况下,按照0.1%考虑,需要电容储能:

\[{E_U} = 0.14 \times 1000 = 140{\rm{J}}\] 

这还是在炮管比较薄的情况下。如果制作者理论掌握不足,以至于结构设计不合理的情况下,还会更惨。

根据电容储能公式

$E = \frac{1}{2}C{U^2}$ 

假设电容耐压450V,实际工作电压400V,需要电容量:

$C = \frac{{2E}}{{{U^2}}} = \frac{{280}}{{1.6 \times {{10}^5}}}({\rm{F}}) = 1.75 \times {10^{ - 3}}({\rm{F}}) = 1750\mu {\rm{F}}$ 

兄弟们,如果没算错的话,这就是一个可以打死人的电容了。

为这个电容充电,如果要在10s内基本充满,考虑到一些效率问题,高压电源的输出功率应至少达到20W以上。

如果是符合题目要求的炮管,但是采用小直径的弹丸,比如6mm,对弹丸能量的要求固然会降低,但是有如下坏处:

(1)方向精度变差,弹丸在炮管内的运动出现混沌现象。一个解决办法是不要采用圆形截面的炮管,不知道是否符合题意。

(2)效率进一步降低,同时速度精度变差。效率与气隙有直接关系,大炮管小弹丸,意味着气隙很大。

各位兄弟自己掂量。

[修改于 9 天前 - 2019-08-10 15:14:21]

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21楼

顶楼主 满满的干货

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2019-8-10 03:30:24
22楼

阻磁式炮,里面的钢珠运动的原因是什么?可以简单的理解为 通电螺线圈(变为磁铁后)  吸引 小钢珠 向线圈另一头运动?哪和线圈的缠绕方向还有关系吗?如果小球放在线圈的中部在再让电容放电呢?如果小球向预期相反的方向运动,哪交换线圈起始和末尾的导线,可以向预期方向运动吗?

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23楼
引用 kesen 发表于 22 楼的内容:
阻磁式炮,里面的钢珠运动的原因是什么?可以简单的理解为 通电螺线圈(变为磁铁后)  吸引

既然是磁场吸引钢,钢珠就会像磁场最强的地方运动,线圈中部磁场最强,所以钢珠如果放在线圈中部再通电,就几乎不会动。

用磁场吸引钢来理解磁阻炮,虽然直观,但很肤浅,没法进行进一步分析。稍好一点的理解方式是钢珠总是倾向于向能让磁阻减小的方向运动。定量分析需要引入磁化电流的概念。

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24楼

这么说,只能用串级加速喽

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25楼
引用 虎哥 发表于 21 楼的内容:
时间已经过去两天了,坑开始暴露了常见电炮套件的弹丸直径,在4~8mm。题目要求炮管内径10~15mm.....

效率那里的一般经验问题有点大……

取值很随便的一组参数(只改了默认参数里的支架直径,电容量和弹丸参数),就能用300V 50uf的电容把12*12mm重7.4g的弹丸加速到7.33m/s了。这个储能只有2.25J,而7.33m/s事实上已经足以在题目要求的任何情况下都射高超标了……

这个储能要求比上面提到的140J低了两个数量级。也就不需要担心“电容可以打死人”,或者“高压电源的功率不够”了。

上面的错误主要是因为磁阻炮低加速度下效率会变高,题目要求的这么低的加速度下,效率能高到接近10%(这里是8.85),比上面猜的0.1%高两个数量级。不是故意去做的话,把磁阻炮效率搞到0.1%也是挺不容易的……仿真结果是单级破百的磁阻炮都能有个0.5%呢……

[修改于 9 天前 - 2019-08-10 14:50:40]

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虎哥(作者)
26楼
引用 三水合番 发表于 26 楼的内容:
效率那里的一般经验问题有点大……取值很随便的一组参数(只改了默认参数里的支架直径,电容量和弹丸参数).....

学习了,看来比慢是一件不容易的事情

我还是建议指标选大一点,大了改小容易,小了改大难。

[修改于 9 天前 - 2019-08-10 15:16:00]

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2019-8-11 23:52:22
2019-8-11 23:52:22
27楼

可以用空心弹丸啊,我们组的几乎无气息空心圆柱弹丸加气动尾翼只有2-3g,就是手工制作每颗弹丸都是独一无二的,需要单独调参,而手工尾翼寿命十分有限

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