模擬線圈型電磁曲射炮設計

張雨莎

（重慶交通大學機電與車輛工程學院，重慶400074）

1 系統方案

1.1 技術路線

電磁炮發射系統需要實現目標識別、精準定位和電磁驅動三個功能。利用openmv 攝像頭系統對目標對象進行圖像二值化閾值設置，運用色塊識別blob 函數采集選定目標顏色，完成目標識別功能。然后通過單片機處理系統將圖像位置信息轉化為像素坐標，比較反饋坐標與預設坐標的差值，將此差值通過PID算法轉化為云臺系統兩個電機的轉動角度，同時激光測距反饋距離數據，并對拋體運動進行傾角計算和多項式擬合運動軌跡分析，最終確定發射角度。再運用電磁感應理論、單脈沖工作電流、交直流變換及電容器儲能特性等理論知識，結合定位信息實現彈丸發射。

圖1 技術路線框圖

1.2 方案選擇與論證

1.2.1 儲能電容器的選擇與論證

方案一：選擇3 個100F 2.7V 的超級電容串聯。電容容量過大，我們所能提供的電壓過低，導致放電電流過慢，產生的磁場強度不夠，彈丸無法彈出。

方案二：選擇2 個100uF 450V 的普通電容并聯。電容容量較為合適，同時使用逆變器后，電壓壓值足夠，能夠產生較大的驅動磁場。

經實驗比較論證，采用方案二。

1.2.2 儲能電容器充放電切換模塊的選擇與論證

方案一：利用普通家用開關切換。通過接入普通的家用耐高壓開關，人工秒表計時，手動操控開關的開啟與關閉，達到儲能電容器充放電的切換。該方案由于人為手動控制，斷電時間把握不精準，同時高壓情況下存在一定危險性。

方案二：利用繼電器切換。只要在線圈兩端加上一定的電壓，流過電流，產生電磁效應，銜鐵在電磁力吸引的作用下動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，使得動觸點與原來的靜觸點釋放。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導通、切斷的目的。

方案三：利用可控硅切換。利用可控硅的導通特性來控制，當超級電容儲蓄電壓達到可控硅的導通電壓后，可控硅打開，導致電路短路，從而使發射裝置接入電路，電容放電，彈丸射出。

考慮到本設計中所使用的高電壓供電以及元件模塊的耐壓值，經過實驗論證，選擇方案三。

2 系統硬件設計

2.1 硬件結構

整個系統由一個12V 直流電源模塊經過兩個穩壓模塊電路分別給STM32 單片機控制系統和發射裝置供電。單片機系統通過激光測距和攝像頭采集的信息反饋，以鍵盤控制的方式確定云臺的轉動角度，實現精準定位。12V 直流電壓在轉換器工作條件下逆變為220V 交流電壓，三個超級電容并聯作為儲能容器，驅動線圈和發射體運動。充電期間，由單片機定時控制可控硅的導通，確保準確斷電的效果。

圖2 硬件結構圖

2.2 電路設計

2.2.1 充電電路

充電回路包括充電電路、穩壓電路和電容器組。通過逆變器將12V 直流電源轉換為220V 交流電源，在短時間內可供超級電容迅速充電。

2.2.2 放電電路

電容器組，線圈、開關和起連接作用的導線共同組成放電回路。電磁發射過程實質上是一個瞬間放電的過程，這里使用了可控硅作為放電回路的控制開關。由于電感總是會存在于電路中, 因此將電容和電阻串聯起來就會有阻尼的效果, 它能夠避免R-L-C 在放電過程中,因為振蕩的關系使電容器發生的過電壓損壞；并且可以避免電容因為放電電流過大,而損壞可控硅（如圖3）。

3.系統軟件設計

3.1 主要算法與驅動

3.1.1 色塊識別

Openmv 中通過find_blobs 函數可以找到色塊，函數調用如下： image.find_blobs (thresholds,roi=Auto, x_stride=2, y_stride=1, invert=False,area_threshold=10, pixels_threshold=10, merge=False,margin=0, threshold_cb=None, merge_cb=None) 通過參數thresholds 設置顏色閾值，若只需單種顏色，僅需要一個顏色閾值；想要多種顏色閾值，需要多個顏色閾值。在返回的色塊對象blob 可以調用code 方法，來判斷色塊顏色。

3.1.2 PID 算法

PID 控制算法作為閉環控制算法的基礎，當不完全了解一個系統和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統參數時，最適合用PID 控制技術。在單回路控制系統中，由于擾動作用使被控參數偏離給定值，從而產生偏差。自動控制系統的調節單元將來自變送器的測量值與給定值相比較之后產生的偏差進行比例、微分、積分運算，并輸出統一標準信號，去控制執行機構的動作。

3.2 程序功能描述與設計（如圖4）

程序初始化完成后，分別針對不同要求進行模式選擇。模式一通過鍵盤設置參數，云臺自動運行并調整角度后，觸發彈丸發射，實現彈丸發射的基本要求。模式二通過自動運行，完成對目標對象的搜索，利用激光測距調整角度后發射彈丸，模式三則是攝像頭通過水平旋轉一定角度，直至搜索到目標后完成發射，實現另兩項基本要求。

4 測試方案與結果

4.1 測試方案與數據

4.1.1 測試方案：在平地上粘貼畫有刻度線的A4 白紙，刻度線范圍從2 米至3 米，期間每10 厘米畫一條線。在A4 紙前端立有紅色環形靶。發射管道在配備有云臺、攝像頭的情況下，自動調整角度，發射彈丸。記錄PWM與射程數據于表1。

4.1.2 測試數據

表1 數據記錄表

由上表數據可知，當PWM 占空比設置為1700-1725 之間能基本滿足射程2.5 米的要求。

4.2 結果分析

圖3 充放電電路原理圖

圖4 程序流程圖

通過多次重復性實驗，利用數據建立函數分析，可得：在12V 直流電源經逆變器變為220V 交流電源的供電系統下，充電10s，PWM占空比設置在1700-1725 之間，平射射程至少2.5米的準備條件下，彈丸發射更精準。

結束語

本系統模擬電磁曲射炮，實現炮管水平方位及垂直仰角方向可調節，用電磁力將彈丸射出，擊中目標環形靶。系統主要包括電源模塊、充放電回路、發射裝置、攝像頭模塊、激光測距模塊，利用色塊識別、PID 控制算法、交直流變換、電磁感應等理論算法可實現圖像識別、精準定位以及電磁驅動的功能。