模擬電磁曲射炮射擊智能控制系統

徐靖琛，匡迎春，王豪杰

（湖南農業大學信息與智能科學技術學院，長沙 410128）

0 引言

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

目前，國外的電磁炮實際水平還不符合現有發展技術能力，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；國內的電磁炮技術正在逐漸發展，新一代的電磁炮口徑大、能夠實現遠程打擊，并且正在逐步實現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，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構

電磁炮由加速線圈和供電系統構成，本系統選用1.25mm的漆包線按一定的順序纏繞內徑為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，由電磁感應原理可知：當線圈通入交變電流時，就會在炮管中產生交變磁場，磁場對金屬彈丸產生電磁力，使彈丸加速運動并發射出去。彈丸在離開炮管的時候已經具有一定的初速度，根據拋體運動的規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關系。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關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生強大瞬時電流，變化的電流產生電磁場，進而產生電磁力驅動彈丸發射。整個控制系統是一個反饋系統，根據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，進而控制整個系統的變化及彈丸實際射程，實現精準射擊。

2 控制系統硬件系統

2.1 控制系統方框圖

系統總體框如圖1所示：單片機STM32F103為整個系統的主控，它與OpenMV4之間采取串口通信的方式，互相傳達任務模式、仰角、偏轉角度、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動云臺，使炮管旋轉指向目標位置；單片機通過控制繼電器開閉達到開關的效果以控制線圈是否通電，放電瞬間線圈內產生電流，發射彈丸。

圖1 系統總體框圖

2.2 控制系統電路原理圖

（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。

圖2 單片機接口電路圖

（2）電容充放電控制系統電路

電容充放電開關控制系統電路圖如圖3所示：左邊的電路為充電開關回路，采用光耦合電路使MOS管接通形成一個開關電路，單片機給IO_1高電平，可與U2的二極管形成一個回路，二極管發光，與此耦合的MOS管接通，形成一個閉合的回路，達到開關閉合的作用，當給IO_1低電平時，電路不導通，便達到了開關斷開的作用。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，以產生瞬時電流，從而產生磁場，使彈丸具有動能彈射出去。

圖3 電容充放電開關控制子系統電路原理圖

3 控制系統軟件系統

3.1 電磁炮的受力分析

彈丸在炮管內彈丸的受力分析及磁場發布如圖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為炮管內部的磁場強度，q為彈丸的帶電量，N為線圈匝數，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，當線圈匝數固定時，彈丸獲取的動能與電容放電時提供的電壓有關。通過不斷地測量，發現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。單片機外接矩陣鍵盤實現模式切換以及數值輸入等功能，并且采用OLED顯示器實現數據顯示。用OpenMV4實現圖像處理以測距，采用串口實現與主控STM32的通信，STM32采用高低電平輸出的方式來實現對電容充電放電的控制，進而控制電磁炮的發射。

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，系統的任務模式切換由按鍵實現，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。按下按鍵設置模式后，通過單片機和OpenMV4的通過串口交換信息，OpenMV4可根據單片機提供的角度調整云臺，即炮口方向，單片機根據OpenMV4圖像處理得來的距離值，利用AD模塊采集需要的電壓值，并控制開關使電容對線圈放電發射彈丸。

4 試驗結果分析

在本系統的實驗中，利用控制變量法，控制線圈匝數為150圈，炮管內徑為12.5mm、長度為15cm，根據給電容不同的供壓值可得到彈丸的射程，部分實驗數據如表1。

表1 電容供壓值與彈丸射程記錄表（炮管仰角：30°）

根據以上數據擬合可以得出以下關系折現表折線表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）的函數關系式如下：

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，單片機可以根據以上關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，系統基本實現了彈丸精準射擊。

表3 彈丸定點發射距離及偏差記錄表（炮管仰角：30°）

5 結語

本智能控制系統實現了手動設置發射距離及自動掃描追蹤捕獲目標的精準射擊。利用單片機的調壓實現彈丸發射距離的遠近，小型模擬控制系統的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。將本系統中的調壓方法用于軍用電磁炮的制作，則可以實現軍事上的精準射擊，同時，電磁炮系統可以結合海上軍艦、控制戰斗機、陸用坦克一起作戰，對軍事作戰有極大的現實意義，對線圈炮實體化的實現有很大推動作用。