覃鈺寧 劉寬 祝強(qiáng) 劉如意 李曉波

(湖北文理學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 湖北 襄陽 441053)

電磁炮技術(shù)利用具有光速傳播特性的電磁場與電流相互作用產(chǎn)生電磁力來加速彈丸,很容易突破傳統(tǒng)化學(xué)能火炮技術(shù)的初速極限,具有高初速、大威力和遠(yuǎn)射程等優(yōu)點(diǎn)[1]．在軍事、工業(yè)等方面都有廣泛的實(shí)際應(yīng)用意義．但現(xiàn)有的電磁炮大多都是手動瞄靶，手動瞄靶的缺陷是精度不高以及可操控性不強(qiáng)；基于這種現(xiàn)狀，我們制作了一種自動瞄靶電磁曲射炮系統(tǒng)．

1 電磁曲射炮設(shè)計總體思路

電磁炮是一種將電能轉(zhuǎn)換為電磁能，以電磁能將彈丸從“炮膛”內(nèi)加速發(fā)射出去的裝置[2]．磁炮部分由24 V穩(wěn)壓電源、升壓電路、法拉電容充電和繼電器控制組成；單片機(jī)控制電路以STM32F429單片機(jī)為控制核心；識別電路由OpenMV構(gòu)成；外圍機(jī)械結(jié)構(gòu)包括固定電磁炮的木質(zhì)底板和兩個舵機(jī)及其附件構(gòu)成的二維可轉(zhuǎn)動云臺．電磁炮部分由直流穩(wěn)壓電路通過BOOST升壓電路給法拉電容充電，電容的充放電則由繼電器控制；識別電路識別標(biāo)識靶，將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給單片機(jī)，外圍機(jī)械結(jié)構(gòu)執(zhí)行單片機(jī)指令控制炮臺俯仰角和穩(wěn)定系統(tǒng)；單片機(jī)接受識別電路返回的數(shù)據(jù)計算角度，由外圍機(jī)械結(jié)構(gòu)執(zhí)行，轉(zhuǎn)至預(yù)定角度，單片機(jī)控制繼電器打開，發(fā)射炮彈，以實(shí)現(xiàn)識別并自動跟蹤打靶．系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

2 理論分析與計算

2.1 系統(tǒng)效率計算

該系統(tǒng)一項(xiàng)重要的指標(biāo)參數(shù)就是系統(tǒng)的能量利用效率．系統(tǒng)的效率η可以認(rèn)為是子彈初動能與電容所儲存的電能之比，即

(1)

(2)

其中h0為云臺和底板高度，x0為飛行距離，M為子彈質(zhì)量，C為電容容值，U為充電電壓，vx為子彈初速度．子彈平拋飛行軌跡示意圖如圖2所示.

結(jié)合式(1)和式(2)可以求得效率η．

圖2 子彈平拋飛行軌跡示意圖

上式表明，可以通過使彈丸初始位置盡可能靠近線圈的尾部、在條件允許的情況下增大彈丸的質(zhì)量等方法提高系統(tǒng)的能量利用效率[2]．

2.2 影響電磁發(fā)射模塊打靶初速度因素分析與計算

初速度的固定影響因素為線圈的匝數(shù)N、線的粗細(xì)R、炮管的長度L，以及子彈的質(zhì)量m、形狀、材質(zhì)等．

其實(shí)際影響因素為電容充電電壓與炮管的仰角，令驅(qū)動線圈電流i1與發(fā)射體攜帶電流i2反相，兩者相斥，電磁發(fā)射模塊發(fā)射[3]．線圈型電磁發(fā)射模塊原理示意圖如圖3所示.

圖3 線圈型電磁發(fā)射模塊原理示意圖

線圈自感為L1，發(fā)射體自感為L2,兩者互感為M,則兩者之間的磁能為

(3)

作用于發(fā)射體上的力為

(4)

由動能定理

可推導(dǎo)得初速度v0

(5)

2.3 電磁炮炮筒的參數(shù)

當(dāng)前系統(tǒng)所使用的彈丸質(zhì)量為6.5 g．加速線圈為240匝，直徑為1 mm的銅導(dǎo)線繞制而成，整體炮管使用的是工程PVC管，內(nèi)徑為14 mm[4]．供電電容容量為10 mF．當(dāng)充電電壓在60 V時，電路最大電流可以達(dá)到100～120 A．

線圈中最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

B=μ0nI

(6)

其中μ0為真空磁導(dǎo)率，n為線圈匝數(shù)，I為流過線圈的電流．

內(nèi)部彈丸受到的最大電磁力F

(7)

其中S為子彈與磁通密度正交的面積．

3 程序及電路設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計

初始化保持系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，保持炮管初始水平方向與中軸線夾角為零,垂直方向仰角為零．系統(tǒng)通過OpenMV攝像頭識別標(biāo)識靶向主控芯片傳遞目標(biāo)位置坐標(biāo)，主控芯片計算炮口與軸線(定標(biāo)點(diǎn)與標(biāo)識靶中心連線)的偏差，比例-積分-微分(Proportional-Integral-Differential, 縮寫PID)控制器計算相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, 縮寫PWM)傳遞給舵機(jī)，PID算法可以使得PWM變化平穩(wěn)延長舵機(jī)的使用壽命．舵機(jī)精準(zhǔn)校正炮口方向，以達(dá)到瞄準(zhǔn)的目的．方向確定之后，主控芯片通過攝像頭返回的位置坐標(biāo)，計算炮口與標(biāo)識靶的距離，輸出PWM精確控制電容充電電壓，從而達(dá)到控制發(fā)射距離的目的．開始與結(jié)束時都保持系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，主要表現(xiàn)為電容處于低壓狀態(tài)，單片機(jī)輸出關(guān)閉，繼電器斷開，炮管回到初始狀態(tài)．

3.2 Boost升壓電路設(shè)計

如圖4為Boost升壓電路圖；Boost升壓電路是一種常見的開關(guān)直流升壓電路，通過開關(guān)(MOS管)來控制電感儲存和釋放能量，從而達(dá)到輸入低電壓得到高電壓的目的．開關(guān)管導(dǎo)通時，電路由電感與開關(guān)管形成回路，電感里儲存了一些能量[5];開關(guān)管關(guān)斷時，電感中的磁能轉(zhuǎn)化為電能在電感端左負(fù)右正，此時電壓疊加在電源正端，經(jīng)由二極管與負(fù)載形成回路，完成升壓功能．升壓過程是個電感的能量傳遞過程，充電時，電感吸收電能并做好能量的儲存；放電時，電感釋放充電時存儲的能量．

圖4 Boost升壓電路圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)以O(shè)penMV圖像處理模塊為核心，利用電容充電時間極短且放電的瞬間可以產(chǎn)生巨大電能的特點(diǎn)，設(shè)計了一個自動瞄靶電磁曲射炮系統(tǒng)，通過簡單的算法控制舵機(jī)從而轉(zhuǎn)動云臺，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)向指定位置發(fā)射彈丸的功能．該系統(tǒng)只需簡單地控制電流, 便可控制初速和射程, 通過精確控制初速度, 可發(fā)射“靈巧彈丸”．可實(shí)現(xiàn)自動瞄靶能準(zhǔn)確地射中目標(biāo)且能源簡易、工作速度快、可操控性強(qiáng)、造價低、工作性能優(yōu)良、安全性高并易于推廣的眾多優(yōu)勢，在探索電磁炮領(lǐng)域有很大前景．