王偉祥

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

電磁炮是利用電磁力將彈丸加速到高速度，使電源電能轉(zhuǎn)換為物體動(dòng)能的新概念武器。傳統(tǒng)火炮是利用彈藥爆炸時(shí)的瞬間膨脹產(chǎn)生的推力將炮彈迅速加速，推出炮膛。兩者相比，電磁炮具有速度高、性能優(yōu)良和可控性好等諸多優(yōu)勢(shì)，故各國(guó)都將電磁炮作為新概念武器裝備展開(kāi)軍備競(jìng)賽。以美國(guó)為首的一些發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨額經(jīng)費(fèi)進(jìn)行電磁炮的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了突破性的成果，已成功試射了5倍音速，射程200km的電磁炮。隨著智能技術(shù)的發(fā)展，武器裝備逐漸向智能化、小型化方向發(fā)展，歐美各國(guó)也在逐漸考慮將電磁炮小型化以構(gòu)成一種智能型單兵武器。ST（意法半導(dǎo)體）公司設(shè)計(jì)的STM32F103ZET6單片機(jī)，其內(nèi)部資源較8051、AVR和PIC多出很多，基本上接近于計(jì)算機(jī)的CPU，具有高性能、存儲(chǔ)空間大、資源豐富、低成本、低功耗、運(yùn)算速度快的特點(diǎn)。故本研究采用此款單片機(jī)作為核心控制部件，設(shè)計(jì)了一個(gè)便攜式智能模擬電磁炮發(fā)射系統(tǒng)，以下將從系統(tǒng)方案、理論分析、硬件電路、系統(tǒng)軟件等方面進(jìn)行闡述便攜式智能模擬電磁炮的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)方案

本文介紹了一種實(shí)現(xiàn)基于STM32控制模擬電磁炮發(fā)射系統(tǒng)的可行方案。該系統(tǒng)方案主要由STM32F103ZET6單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路、儲(chǔ)能電路、電壓檢測(cè)電路、電磁炮發(fā)射電路、舵機(jī)云臺(tái)、攝像頭識(shí)別定位模塊、TFT顯示屏、矩陣鍵盤(pán)等部分組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)有兩種控制方式：手動(dòng)控制和自動(dòng)控制。當(dāng)手動(dòng)控制時(shí)，先通過(guò)按鍵輸入定標(biāo)點(diǎn)距離，單片機(jī)對(duì)電容充電電壓進(jìn)行檢測(cè)，確定發(fā)射距離，將控制信號(hào)送給發(fā)射電路，進(jìn)而控制彈珠發(fā)射。當(dāng)自動(dòng)控制時(shí)，則利用攝像頭進(jìn)行圖像采集，通過(guò)調(diào)整舵機(jī)角度，進(jìn)行精準(zhǔn)定位，確定電容充電電壓大小，然后單片機(jī)啟動(dòng)儲(chǔ)能電路對(duì)電容進(jìn)行充電，再通過(guò)電壓檢測(cè)電路反饋電容充電電壓給單片機(jī)，當(dāng)達(dá)到閾值電壓時(shí)，單片機(jī)控制發(fā)射電路，將彈珠發(fā)射出去，同時(shí)TFT液晶屏上可實(shí)時(shí)顯示充電電壓、充電時(shí)間、設(shè)置距離等信息。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 電磁炮參數(shù)計(jì)算

法拉第電磁感應(yīng)定律是電磁炮的理論基礎(chǔ)。當(dāng)通過(guò)閉合導(dǎo)體回路的磁通量發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)體回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流流過(guò)的導(dǎo)線在原磁場(chǎng)中會(huì)受到一個(gè)力的推動(dòng)，電磁炮就是利用電磁相互作用力把發(fā)射的物體加速到高速，最后發(fā)射出去[1]。

設(shè)驅(qū)動(dòng)線圈脈沖電流為ip，兩者之間的互感為M，則兩者之間沿線圈軸線方向的作用力為：

由上式可知，為了使彈丸獲得盡可能大的作用力F，線圈應(yīng)與炮膛同軸，繞在炮膛外面，通過(guò)支架安裝在炮膛底部。在線圈匝數(shù)一定的情況下，盡量縮短線圈的分布長(zhǎng)度，故用粗導(dǎo)線繞制線圈，減小線圈內(nèi)阻。

2.2 彈道分析

線圈炮由環(huán)繞于炮膛的一系列固定的加速線圈與彈丸構(gòu)成。它利用加速線圈與彈丸之間互感時(shí)產(chǎn)生的電磁力作為彈丸的加速力。當(dāng)給加速線圈突然加上電流時(shí)，在彈丸內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電流，這時(shí)兩者相互排斥，彈丸受到的這個(gè)排斥力就是加速力。發(fā)射時(shí)依次給加速線圈供電，于是產(chǎn)生沿炮身管運(yùn)動(dòng)的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與彈丸中的感應(yīng)電流激勵(lì)的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生連續(xù)的加速力從而使彈丸加速運(yùn)動(dòng)。由于加速線圈與彈丸之間的相互作用相當(dāng)于兩個(gè)磁體間的相互作用，既可以相斥也可以相吸，可使彈丸加速也可使彈丸減速。因此，必須保正使加速線圈產(chǎn)生的磁力與彈丸的運(yùn)動(dòng)位置精確同步[2]。

線圈炮是利用軌道電流相互作用的安培力把彈丸發(fā)射出去。實(shí)際制作時(shí)，線圈炮由一個(gè)長(zhǎng)為20cm的直塑料管和在其外壁用φ0.8mm漆包線均勻繞400匝總長(zhǎng)為60mm線圈組合而成。塑料管底部放入直徑為12mm的鋼珠作為彈丸。當(dāng)電容充電電壓達(dá)到一定值時(shí)，按下發(fā)射指令鍵，電容對(duì)線圈迅速放電，在線圈周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，強(qiáng)大的電流會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，然后在安培力的作用下，彈丸會(huì)以很大的速度射出。

2.3 能量計(jì)算

經(jīng)檢測(cè)，當(dāng)對(duì)儲(chǔ)能元件容值為1000uF充電時(shí)，電壓達(dá)到230V時(shí)，直徑為12mm彈丸的水平發(fā)射距離可達(dá)300cm。當(dāng)電容充電到300V時(shí)，水平發(fā)射距離可達(dá)550cm。

3 電磁炮主要硬件電路設(shè)計(jì)

由系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖可知，硬件電路主要由電磁炮發(fā)射電路和單片機(jī)最小系統(tǒng)控制電路構(gòu)成。故下面主要對(duì)這兩個(gè)電路進(jìn)行介紹。

3.1 電磁炮發(fā)射電路設(shè)計(jì)

電磁炮發(fā)射電路如圖2所示。

電磁炮發(fā)射電路主要由電容充電電路、電容對(duì)線圈放電電路和電容充電電壓檢測(cè)電路組成。

當(dāng)單片機(jī)I/O口輸出高電平，通過(guò)R4使三極管導(dǎo)通，繼電器K1得電，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使NMOS管Q1柵源間得到正向電壓，Q1導(dǎo)通，300V直流電壓通過(guò)R1、D3對(duì)電容C1充電，充電電壓經(jīng)取樣電阻R6，光耦U2隔離，同相比例放大后，送入單片機(jī)監(jiān)測(cè)電壓，當(dāng)C1電壓達(dá)到一定值時(shí)，關(guān)斷Q1停止充電，同時(shí)接光耦U1的單片機(jī)I/O口輸出高電平，通過(guò)光耦使雙向晶閘管Q2導(dǎo)通，電容C1對(duì)線圈L1放電，使鋼珠彈出擊中目標(biāo)。

由上述可知，充電電路主要元件由充電限流電阻R1、大功率開(kāi)關(guān)NMOS管Q1等元件組成，放電電路主要由光耦U1、晶閘管Q2等元件組成，電壓檢測(cè)電路主要由光耦U2、運(yùn)放等元件組成。

3.1.1 充電電路主要器件的選擇

（1）充電限流電阻R1的參數(shù)選擇[3]

按設(shè)計(jì)要求電容最大充電時(shí)間為5秒，即5τ=5（S）

圖2 電磁炮發(fā)射電路

（2）NMOS管Q1的參數(shù)選擇[4]

Q1管最大接通電流最高工作電壓為300V，故選擇用IRF840NMOS管，其Id=8.5A，Vdss=500V，滿(mǎn)足要求。

3.1.2 放電電路主要器件的選擇

（1）光電隔離光耦U1的選擇

為了將高壓電路與控制電路隔離，故U1采用雙向?qū)ü怦頜OC3052。

（2）晶閘管Q2的選擇

由于瞬時(shí)放電電流達(dá)幾十安培，最高工作電壓為300V，故選用BTA41-600B雙向晶閘管，其最大工作電流達(dá)40A，最高反向電壓700V，滿(mǎn)足要求。

3.1.3 電壓檢測(cè)電路主要元器件的選擇

（1）光電隔離光耦U2的選擇

為了將高壓電路與控制電路隔離，獲得與電容電壓成正比的取樣電壓，故U2采用線性光耦型號(hào)為EL817。

（2）同相比例放大運(yùn)放的選擇

為了將光耦U2采集的電壓，不失真的放大，同相比例放大器采用軌道軌運(yùn)算放大器，其型號(hào)為READ2302G。

3.2 單片機(jī)最小控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)以STM32F103ZET6為核心，控制電磁炮驅(qū)動(dòng)電路、舵機(jī)云臺(tái)、攝像頭、TFT顯示屏以及矩陣鍵盤(pán)等。PA1讀取充電采樣信號(hào)，PD4發(fā)送充電控制信息，PD5發(fā)送發(fā)射控制信號(hào)。單片機(jī)最小控制系統(tǒng)電路如圖3所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序流程包括自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制模式，兩者功能之間可以自由切換。CPU讀取儲(chǔ)能元件充電電壓的采樣信息，當(dāng)達(dá)到標(biāo)定值時(shí)，發(fā)送電磁炮發(fā)射驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由OPEN MV4 H7攝像頭可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)追蹤，獲取位置坐標(biāo)，將獲取的坐標(biāo)信息送至嵌入式芯片STM32F103ZET6，由STM32F103ZET6控制電磁炮驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的線圈電流，決定發(fā)送力度及云臺(tái)舵機(jī)的發(fā)送角度。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

5 測(cè)試儀器與測(cè)試數(shù)據(jù)

5.1 測(cè)試儀器

數(shù)字雙蹤示波器、直流穩(wěn)壓源、秒表、卷尺、4位半數(shù)字萬(wàn)用表。

5.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可知，通過(guò)單片機(jī)多次調(diào)試，將環(huán)形靶放置在靶心距離定標(biāo)點(diǎn)200～300cm間，通過(guò)鍵盤(pán)輸入距離，電磁炮將彈丸發(fā)射至該位置，距離偏差最低≤6cm；還可以在指定范圍內(nèi)給任意靶子位置，用鍵盤(pán)輸入定標(biāo)點(diǎn)距離，一鍵啟動(dòng)后，電磁炮可以自動(dòng)瞄準(zhǔn)射擊，環(huán)數(shù)最好成績(jī)?yōu)?0環(huán)。

圖3 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

6 總結(jié)

該裝置實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)設(shè)置發(fā)射和自動(dòng)捕捉目標(biāo)一鍵發(fā)射，偏差最低在6cm以?xún)?nèi)，命中率高，還可在液晶屏上顯示充電電壓、充電時(shí)間、設(shè)置距離等信息，而且方便輕巧，便于攜帶。該裝置在軍事上可以研發(fā)作為一種智能型單兵武器，應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)，亦可用于天基反導(dǎo)系統(tǒng)和防空系統(tǒng)，可作為反坦克武器，還可以裝備炮兵部隊(duì)、海軍艦艇等，同時(shí)可以與無(wú)人機(jī)結(jié)合，提高目標(biāo)打擊的靈活性和可靠性；在生活中可用于射釘槍[5]、兒童游樂(lè)設(shè)備等方面，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。