徐靖琛，匡迎春，王豪杰

（湖南農(nóng)業(yè)大學信息與智能科學技術(shù)學院，長沙 410128）

0 引言

電磁炮是利用電磁感應(yīng)原理制成的一種具有先進動能的軍用殺傷型武器。與傳統(tǒng)的利用火藥燃氣驅(qū)動的大炮不同，電磁炮是由電磁系統(tǒng)中的電磁力給彈丸加速，使彈丸具有能夠發(fā)射動能的，具有儲能密度高、初速度大、成本低等優(yōu)點，適用于現(xiàn)代軍事。

目前，國外的電磁炮實際水平還不符合現(xiàn)有發(fā)展技術(shù)能力，其耗電量較大、能量儲存小型化的問題還沒得到解決，并且彈射精度不達指標；國內(nèi)的電磁炮技術(shù)正在逐漸發(fā)展，新一代的電磁炮口徑大、能夠?qū)崿F(xiàn)遠程打擊，并且正在逐步實現(xiàn)電磁線圈炮及重接炮裝備的實體化，但是仍存在精度不夠等問題。本文主要致力于研究模擬電磁線圈炮的智能控制系統(tǒng)，利用的單片機控制電容電壓的變化來控制彈丸的射程。

1 電磁炮的工作原理及其控制方案

1.1 電磁炮工作原理與結(jié)構(gòu)

電磁炮由加速線圈和供電系統(tǒng)構(gòu)成，本系統(tǒng)選用1.25mm的漆包線按一定的順序纏繞內(nèi)徑為15mm白色PVC管制成線圈炮管，用直徑10mm的鋼珠作為彈丸。加速線圈固定在炮管上，由電磁感應(yīng)原理可知：當線圈通入交變電流時，就會在炮管中產(chǎn)生交變磁場，磁場對金屬彈丸產(chǎn)生電磁力，使彈丸加速運動并發(fā)射出去。彈丸在離開炮管的時候已經(jīng)具有一定的初速度，根據(jù)拋體運動的規(guī)律可以計算出彈丸的射程。

1.2 電磁炮控制原理與控制方案

本系統(tǒng)通過多次實驗，得出電容所需獲得的充電電壓與彈丸射程的函數(shù)關(guān)系。使用按鍵輸入引導標識的坐標值或OpenMV4攝像頭捕獲具體坐標值即彈丸的指定射程，此時單片機可按照函數(shù)關(guān)系計算出電容需要的電壓值及充電時間，并且控制繼電器的打開使電容對線圈放電產(chǎn)生強大瞬時電流，變化的電流產(chǎn)生電磁場，進而產(chǎn)生電磁力驅(qū)動彈丸發(fā)射。整個控制系統(tǒng)是一個反饋系統(tǒng)，根據(jù)拋體運動的原理可以通過射程精確計算出彈丸射出彈管的初速度，而彈丸的初速度大小由電磁系統(tǒng)對彈丸的電磁力大小決定，利用單片機控制電容充電時間即可間接控制電磁力大小，進而控制整個系統(tǒng)的變化及彈丸實際射程，實現(xiàn)精準射擊。

2 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)方框圖

系統(tǒng)總體框如圖1所示：單片機STM32F103為整個系統(tǒng)的主控，它與OpenMV4之間采取串口通信的方式，互相傳達任務(wù)模式、仰角、偏轉(zhuǎn)角度、彈丸彈射距離值等信息。OpenMV4攝像頭通過識別紅色引導標識來轉(zhuǎn)動云臺，使炮管旋轉(zhuǎn)指向目標位置；單片機通過控制繼電器開閉達到開關(guān)的效果以控制線圈是否通電，放電瞬間線圈內(nèi)產(chǎn)生電流，發(fā)射彈丸。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2.2 控制系統(tǒng)電路原理圖

（1）單片機接口電路原理圖

圖2 中的STM32F103CT86為最小系統(tǒng)板的單片機芯片對外I/O口，PA8、PA9為單片機與OpenMV4進行通信的串口，PB8為繼電器控制接口，PB9為MOS管控制接口，U2為單片機芯片，左下角為兩個晶振電路，JP2為OLED顯示模塊，JP3為矩陣鍵盤控制模塊，分別與單片機的接口相接，用單片機控制其功能實現(xiàn)。

圖2 單片機接口電路圖

（2）電容充放電控制系統(tǒng)電路

電容充放電開關(guān)控制系統(tǒng)電路圖如圖3所示：左邊的電路為充電開關(guān)回路，采用光耦合電路使MOS管接通形成一個開關(guān)電路，單片機給IO_1高電平，可與U2的二極管形成一個回路，二極管發(fā)光，與此耦合的MOS管接通，形成一個閉合的回路，達到開關(guān)閉合的作用，當給IO_1低電平時，電路不導通，便達到了開關(guān)斷開的作用。右邊的電路作用是形成一個電容充放電控制單路，以開關(guān)電路的輸出作為此電路中電壓的輸入，通過ADC檢測電壓值，若電壓達到任務(wù)要求，則斷開充電電路，通過IO_2控制繼電器的接通，使電容對線圈進行放電，以產(chǎn)生瞬時電流，從而產(chǎn)生磁場，使彈丸具有動能彈射出去。

圖3 電容充放電開關(guān)控制子系統(tǒng)電路原理圖

3 控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)

3.1 電磁炮的受力分析

彈丸在炮管內(nèi)彈丸的受力分析及磁場發(fā)布如圖4：加速線圈纏繞的炮管中，彈丸受到電磁場所提供的指向炮管出口方向的電磁力，為彈丸的運動提供加速度，彈丸做速度迅速增加的變加速運動。離開線圈纏繞部分后，彈丸受到管內(nèi)空氣阻力，并且失去了電磁力提供的加速度，而做減速運動，直到炮管口。

圖4 電磁炮受力示意圖

使彈丸加速運動的電磁力從微觀上來看是洛倫茲力，其計算公式為：

式中：F為彈丸所受的電磁力，B為炮管內(nèi)部的磁場強度，q為彈丸的帶電量，N為線圈匝數(shù)，v為彈丸垂直于磁場方向的運動速度，I為電流強度，t為通電時間。由此可知，當線圈匝數(shù)固定時，彈丸獲取的動能與電容放電時提供的電壓有關(guān)。通過不斷地測量，發(fā)現(xiàn)將彈丸放到線圈的末尾處，受到的電磁力做的功最多，獲取的動能最大，彈射效果最好。

3.2 控制算法

采用STM32F103單片機作為整個電路的核心控制系統(tǒng)。單片機外接矩陣鍵盤實現(xiàn)模式切換以及數(shù)值輸入等功能，并且采用OLED顯示器實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。用OpenMV4實現(xiàn)圖像處理以測距，采用串口實現(xiàn)與主控STM32的通信，STM32采用高低電平輸出的方式來實現(xiàn)對電容充電放電的控制，進而控制電磁炮的發(fā)射。

3.3 控制程序

程序首先對OLED顯示屏和OpenMV4攝像頭等模塊進行初始化，系統(tǒng)的任務(wù)模式切換由按鍵實現(xiàn)，按鍵S10按下一次，模式加一，從模式一直到模式五，再到模式一循環(huán)。按下按鍵設(shè)置模式后，通過單片機和OpenMV4的通過串口交換信息，OpenMV4可根據(jù)單片機提供的角度調(diào)整云臺，即炮口方向，單片機根據(jù)OpenMV4圖像處理得來的距離值，利用AD模塊采集需要的電壓值，并控制開關(guān)使電容對線圈放電發(fā)射彈丸。

4 試驗結(jié)果分析

在本系統(tǒng)的實驗中，利用控制變量法，控制線圈匝數(shù)為150圈，炮管內(nèi)徑為12.5mm、長度為15cm，根據(jù)給電容不同的供壓值可得到彈丸的射程，部分實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 電容供壓值與彈丸射程記錄表（炮管仰角：30°）

根據(jù)以上數(shù)據(jù)擬合可以得出以下關(guān)系折現(xiàn)表折線表2。

圖5 程序流程圖

表2 電容供壓值與彈丸射程擬合折線圖（炮管仰角：30°）

由此可以得出以下每一段距離之間電容供壓值U（V）與彈丸射程D（cm）的函數(shù)關(guān)系式如下：

U=0.018*D+37.37（200≤D＜211）

U=0.036*D+33.604（211≤D＜221）

U=0.074*D+25.206（221≤D＜231）

U=0.071*D+25.899（231≤D＜242）

U=0.082*D+23.11（242≤D＜251）

U=0.005*D+42.495（251≤D＜261）

U=0.055*D+29.445（261≤D＜271）

U=0.046*D+31.93（271≤D＜283）

U=0.03125*D+35.901（283≤D＜291）

U=0.025*D+37.725（291≤D＜301）

當通過鍵盤輸入引導標識坐標信息或OpenMV4掃描獲得引導標識坐標時，單片機可以根據(jù)以上關(guān)系式計算出電容所需電壓值，進而控制電容充電時間及對線圈的放電，從而實現(xiàn)彈丸精確射擊，如表3中彈丸的指定射程d與實際射程D的平均偏差絕對值為1.17cm可知，系統(tǒng)基本實現(xiàn)了彈丸精準射擊。

表3 彈丸定點發(fā)射距離及偏差記錄表（炮管仰角：30°）

5 結(jié)語

本智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了手動設(shè)置發(fā)射距離及自動掃描追蹤捕獲目標的精準射擊。利用單片機的調(diào)壓實現(xiàn)彈丸發(fā)射距離的遠近，小型模擬控制系統(tǒng)的OLED顯示屏上可以顯示模式、指定射擊距離，炮管仰角，當前電容儲壓值等信息，適合于制作槍炮類電子玩具。將本系統(tǒng)中的調(diào)壓方法用于軍用電磁炮的制作，則可以實現(xiàn)軍事上的精準射擊，同時，電磁炮系統(tǒng)可以結(jié)合海上軍艦、控制戰(zhàn)斗機、陸用坦克一起作戰(zhàn)，對軍事作戰(zhàn)有極大的現(xiàn)實意義，對線圈炮實體化的實現(xiàn)有很大推動作用。