基于電子準星補償的電磁發射系統設計*

倪曉明，田楊萌，向紅軍

(1 北京信息科技大學， 北京 100192； 2 陸軍工程大學石家莊校區， 石家莊 050003)

0 引言

電磁發射器( EM launcher)就是利用電磁力提升和推動彈體的器械，電磁發射器具有無明火、無污染、非接觸、噪音小、推力大、速度可控等明顯優勢，在公安、國防等領域應用前景廣闊[1-3]。目前的瞄準系統基本采用機械瞄準或光學瞄準，需根據距離進行手工調整或補償，本設計采用了電子自動補償方式，根據測得的距離，確定加速級數，自動計算初速度并對準星進行修正補償，避免了手工調整，提高了瞄準和射擊的精度及速度。設計系統主要由觀瞄系統、測距系統、火控系統及準星修正系統等幾部分構成，其中觀瞄系統通過CCD/CMOS攝像頭實現對打擊目標的觀察、記錄和初步瞄準；測距系統通過激光測距、測角部件對目標進行測距、測角；火控系統根據實測距離和角度以及所需的出膛速度計算出驅動級數，調整電磁火力；準星修正系統修正虛擬準星位置，實現目標的精確瞄準。

1 系統架構

文中設計方案由電子觀瞄成像模塊、激光測距模塊、角度測量模塊、圖像處理模塊、彈道計算和準星補償修正模塊、影像顯示和記錄模塊、彈速調整模塊等組成，基于電子準星補償的電磁發射系統的結構圖如圖1所示。

圖1 基于電子準星補償的電磁發射系統結構圖

2 系統軟硬件實現

2.1 激光測距模塊

主要實現目標距離的測量，即從彈體出膛點到被瞄準點的連接線距離。根據這一距離配合傾斜角度可以確定彈體出膛速度和彈道軌跡。

激光測距一般有兩種方式：相位法和脈沖法。相位式激光測距一般應用在精密測距中，精度高，一般為毫米級。但測量速度較慢，距離有限，一般為百米級。脈沖法測量距離的精度一般在±1 m左右，但測距范圍很大，可輕松超過千米[4]。因本次設計對測距精度要求不高，米級精度足夠，但對快速測量要求較高，因此設計選擇脈沖測距法。

激光測距模塊發射出的激光經被測量物體的反射后被測距模塊接收，測距模塊記錄激光往返的時間。光速和往返時間的乘積的一半就是測距模塊和被測量物體之間的距離。從激光發射點到目標點間距離D可用式(1)表示。

D=ct/2

(1)

式中：D為從激光發射點到目標點間距離；c為光在大氣中傳播的速度；t為光往返激光發射點和目標點一次所需的時間。

2.2 傾角測量模塊

主要實現對槍身俯仰角度的測量，配合測距模塊所測距離值確定彈體出膛速度和彈道軌跡。該模塊設計的核心芯片采用了AD公司的ADXL345數字式超低功耗三軸加速度計芯片。該芯片分辨率高(13位)，數字輸出數據為16位二進制補碼格式，可通過SPI或I2C總線進行數據傳輸。ADXL345是一款完整的三軸加速度測量系統，既能測量運動或沖擊導致的動態加速度，也能測量靜止加速度，傾角測量就是利用靜止加速度測量實現的。ADXL345加速度信號的幅度和極性關系如圖2所示，ADXL345輸出響應與芯片放置位置的關系如圖3所示[5]。

圖2 ADXL345加速度信號的幅度和極性關系

圖3 ADXL345輸出響應與芯片放置位置關系

加速度傳感器測得的加速度并不能直接表示物體的傾角，需要通過計算才能得到傾角值。傳感器平行安裝在電磁發射器上，X軸與發射器出彈筒平行，Y軸橫向與出彈筒垂直，Z軸與出彈筒縱向垂直，設出彈筒與地面的夾角為俯仰角ρ，槍身的側滾角為γ。

當ρ=0，γ=0時，各軸上的靜態加速度為：Ax=0g；Ay=0g；Az=1g

當ρ≠0，γ=0時，各軸上的靜態加速度為：Ax=1g×sinρ；Ay= 0g；Az= 1g×cosρ

由上式可得到俯仰角ρ的計算公式：

ρ=arctan(Ax/Az)

(2)

同理可得到滾角為γ的計算公式：

師：在建立函數與方程的聯系過程中，實現了“動” 與“靜”的轉化——“方程的根是一個靜態的點，等價轉化為“函數的零點”就與運動變化聯系上了.

γ= arctan(Ay/Az)

(3)

主控芯片通過SPI接口讀取ADXL345傳感器的三軸加速度后，根據上述公式，可計算出發射器的俯仰角、側滾角數據[6]。

加速度傳感器的硬件連接如圖4所示。

圖4 加速度傳感器的硬件連接

2.3 彈體速度計算/彈道計算/準星補償修正計算模塊(十字瞄準叉絲補償計算)

該模塊的關鍵是準星的補償修正計算。

1)根據激光測距模塊所測距離及火控策略首先確定電磁驅動級數，距離越遠驅動級數越多，隨后把分級使能信號命令發送給電磁驅動模塊，調整電磁火力，改變彈體出膛速度。

2)根據驅動級數和彈體質量等參數計算出彈體出膛速度。

3)彈道和飛行時間計算。根據激光測距模塊所測距離S和傾角測量模塊所測俯仰角ρ，可計算出發射器出彈口和目標之間的距離S，進一步可計算出水平距離S水平和垂直距離S垂直，如式(4)、式(5)所示。

S水平=S·cosρ

(4)

S垂直=S·sinρ

(5)

彈道曲線的基本公式如式(4)所示。

(6)

式中：S為距離；v為彈丸初速；a為加速度，等于重力加速度g和空氣阻力加速度a′(v)的矢量和；t為時間。

4)計算修正俯仰角Δρ。

根據式(7)，距離S，時間t，可進一步計算出修正俯仰角Δρ。

(7)

5)確定單位像素視角。本設計選用300萬像素CMOS攝像頭，焦距為10 mm，視場角為12°，顯示屏分辨率為1024像素×768像素，可計算得出在不放大時單位像素視角f=0.011 7°。

6)根據計算出的修正俯仰角Δρ和單位像素視角f，可計算出準星的修正像素值ΔP=Δρ/f，即十字瞄準線在瞄準屏幕上的補償位置，以便射擊者手動調整發射器的瞄準角度，達到瞄準射擊目的。

本部分完全利用軟件編程實現，代碼運行于主控芯片，用以控制電磁驅動模塊的驅動級數和LCD準星顯示模塊的十字瞄準叉絲補償。

2.4 彈體速度控制驅動模塊

電磁加速器可通過調整加速級數或電磁力矩來實現彈體出膛速度的調整。本設計采用了7級電磁加速器，每級由一個加速線圈、一個儲能電容、一個大功率可控硅和一套可控硅觸發驅動系統組成，電磁加速器結構如圖5所示。可控硅觸發驅動系統各級基本相同，分為使能部分、觸發部分、驅動部分和測速反饋部分。上一級的反饋信號作為本級的觸發信號，第一級永久使能，其它級可選通使用，用來控制加速級數。第一級沒有使能信號，觸發信號直接啟動發射信號。

圖5 電磁加速器結構圖

彈體速度控制驅動模塊首先根據彈體速度計算模塊確定的出膛力度和速度，給出不同的加速使能級數，調整電磁火力，最后驅動電磁發射部分，實現彈體的不同加速要求。

2.5 圖像處理及影像顯示記錄系統

該模塊完成視頻圖像的處理、準星的疊加、距離等數據的疊加顯示、視頻錄像等功能。設計硬件基于一款開源的ARM開發板“香橙派+”，它可以運行Android4.4、Ubuntu、Debian等操作系統，體積小巧，使用全志H3的Cortex-A7四核ARM處理器，擁有2 GB DDR3 內存，板載16 GB EMMC Flash存儲器，具有可擴展的TF卡/ MMC卡插槽，視頻輸入支持具有CSI接口的攝像頭模塊，視頻輸出支持 HDMI和 CVBS雙輸出，完全滿足本模塊的需求。

本設計操作系統基于Android4.4系統，軟件基于Android SDK和JDK軟件包，采用Java語言面向對象編程。電子觀瞄采用了具有自動對焦功能的攝像頭，軟件上調用了系統提供的照相機程序android.hardware.Camera類進行實現，視頻錄制使用了MediaRecorder類進行實現，準星的疊加顯示、距離等數據的疊加顯示使用了andriod.graphics類實現。

操作界面底圖為照相機的預覽畫面，然后在畫面上疊加顯示十字瞄準叉絲，目標距離、傾角、火力等數據，同時根據目標距離、傾角、修正輔助瞄準點，用于實際瞄準。操作顯示界面如圖6所示。

圖6 操作顯示界面

2.6 鍵控操作控制模塊

整個發射器的鍵控部分采用組合按鍵控制方式，可實現帶半按瞄準功能的兩步式扳機、鏡頭變焦控制、火力手自動調整、照相、錄像等功能。

3 驗證及結論

基于以上方案進行了樣機制作，并在軍械工程學院進行了測試和驗證，測試數據如表1所示。

以上數據表明，本次設計的基于電子準星補償的電磁發射系統實現了預定功能，在距離測量精度、補償修正精度、瞄準誤差方面基本滿足設計要求。研究取得了初步的成果，但距離實際應用和定型還有一定的差距，有待對機械部分及整機結構進行工業設計，對硬件電路及軟件代碼做進一步的優化裁減。

表1 系統測試數據