電磁曲射炮控制與彈道分析系統模擬

摘? 要：電磁炮是一種利用電磁能量對彈丸進行加速賦能的武器裝置。相較于常見的火藥武器，電磁炮的殺傷性更強，打擊范圍更廣。該模擬電磁曲射炮裝置是以基于ARM Cortex-M4內核的MK66芯片為主處理器，由攝像頭模塊與激光模塊定位后通過激光精準測量目標位置，得到所需的仰角與初速度。經由DAC控制繼電器通斷以控制電容充放電的方式控制電磁炮發射速度，同時運用PID控制技術控制舵機角度，實現電磁炮裝置的精準制導。

關鍵詞：高壓電容;自動瞄準;電磁力;攝像頭定位;繼電器

中圖分類號：TP368.1? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）02-0038-03

Abstract：Electromagnetic gun is a kind of weapon device that uses electromagnetic energy to accelerate the energy of projectile. Compared to conventional gunpowder weapons，electromagnetic guns are more lethal and can strike over a wider area. The simulated electromagnetic curved gun is based on the MK66 chip based on ARM Cortex-M4 core. After positioning by camera module and laser module，the target position is accurately measured by laser，and the required elevation and initial speed are obtained. The firing speed of the electromagnetic gun is controlled by the way of capacitor charge and discharge by DAC control relay on and off，and the steering angle is controlled by the PID control technology to realize the precise guidance of the electromagnetic gun device.

Keywords：high voltage capacitor;automatic aiming;electromagnetic force;camera positioning;relay

0? 引? 言

傳統武器一般都是利用爆炸產生的巨大壓強將彈丸彈出，但爆炸所產生的動能有限，且能量的轉化率也相對比較低，因此彈丸的最大擊打距離也受到極大的限制，為了突破這一限制，電磁炮應運而生，亟需研究自動控制系統操縱電磁炮的重要性不言而喻[1，2]。

本研究做到自主識別目標并對其進行追蹤監視，應用PID調節雙舵機云臺以控制電磁炮的方向，微調角度實現精準打擊。

本文主要以下面的條件和目標為標準制作并測試該系統：將電磁炮系統安裝在固定發射點處，將炮管的初始狀態調整為水平方向與目標的連線夾角為0°、垂直方向與地面平行。將目標靶水平置于地面，靶子中心與固定發射點間的距離控制在200 cm≤d≤300 cm，與炮筒延長線夾角滿足a≤30°。

目標一：輸入電磁炮所要擊打的目標的距離d以及目標與炮筒延長線的夾角a，通過按鍵啟動系統后，電磁炮自動瞄準射擊。

目標二：將目標靶子放置在距離電磁炮200～300 cm的范圍內，與炮筒的夾角不作要求，要求通過按鍵啟動系統后，炮筒在水平方向反復擺動的過程中，系統能夠在自動搜尋并鎖定目標后發射彈丸命中目標靶子。

1? 系統總體結構

電磁曲射炮控制與彈道分析系統總體結構如圖1所示，主要包括四個部分：

（1）數據獲取。單片機通過鍵盤輸入位置數據或通過OpenMV攝像頭模塊捕獲目標，獲取目標與中心軸線的偏離角，由TFmini激光測距模塊精準測量與目標點的距離，獲得舵機的目標角度。

（2）被測電壓信號。通過ZVS升壓電路對電容進行充電，對電容進行分壓測得電容實際電壓，反饋至mcu進行判斷與處理。

（3）TFT顯示。顯示當前工作的模式、目標角度、距離等信息，配合矩陣鍵盤提供較好的菜單式人機交互界面。

（4）彈丸發射控制。利用可控硅的開關特性，由MCU發出控制信號，釋放電容電壓，使線圈通電生成電磁場，完成鐵質彈丸加速發射等過程。

1.1? 圖像系統方案選擇

方案一：使用MT9V034攝像頭模塊。MT9V034攝像頭為灰度攝像頭，而靶標為紅色，與其他深顏色的物體區別度不高，會降低系統的魯棒性。

方案二：使用OV7725攝像頭模塊。雖然OV7725為彩色攝像頭，但因為彩圖的數據較為復雜，對單片機的處理速度要求極高，所以并不適合在外接較多模塊的情況下使用。

方案三：使用OpenMVRT攝像頭模塊。OpenMVRT攝像頭模塊是集成在RT1062單片機上的攝像頭模塊，并且已經具有了較為完善的庫函數，在實現各種特定識別功能時容易上手，能較好地識別靶標。

綜合以上三種方案，選擇方案三。

1.2? 控制方案選擇

方案一：單獨控制舵機垂直仰角控制射程，射程控制范圍較小，難以微調距離。

方案二：同時控制舵機垂直仰角和炮彈初速度，控制范圍較大，且二者能夠搭配使用。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

2? 系統理論分析和計算

2.1? 數據分析

斜拋運動達到的最大高度（忽略阻力），斜拋運動到達最高點的時間，斜拋運動的水平射程（相同高度），斜拋運動軌跡方程 。其中，V0為初始速度，θ為出射角度，g為重力加速度[3，4]。

由于實際發射過程中存在阻力等難以計算的因素，且舵機角度定位存在一定誤差，單純通過計算結果而進行相應控制的效果并不好，所以我們選擇在數據計算基礎上進行一定范圍的修正，做出適當調節以保證炮彈落點的準確性。

2.2? 角度和距離的測量

固定攝像頭使之與炮筒角度一致，保證攝像頭中心與炮筒中心在同一水平面上，通過PID調節達到快速精準瞄準。由于單目攝像頭不能精確定位，所以我們通過激光測距模塊TFminiPLUS精確地測量模塊距導引靶的距離，然后計算出炮管距目標靶的精確距離，再通過該距離調節垂直角度和炮彈初速度。

2.3? 舵機云臺旋轉角控制

通過攝像頭得到的引導標識位置，計算其在X軸方向上與圖像中心點的偏差。由于攝像頭在安裝時與電磁炮的炮管平行，即得到了引導標識與炮管指向方向在X方向上的偏差。之后將該偏差作為舵機控制的輸入，對舵機進行PID控制使得炮管始終指向引導標識，從而保證炮彈的發射方向便是環形靶所在方向。

2.4? 攝像頭識別瞄準

通過OpenMV識別紅色引導標志，通過UART輸出標志的二維坐標與圖像中心點二維坐標的差。主控單片機分別將兩個方向的偏差投入PID控制系統，PID控制系統的輸出給云臺的兩個舵機。直到引導標志的中心點與圖像中心點完全重合，誤差為零，PID控制器停止調節，即為瞄準，預備開炮。

2.5? 電磁能量的計算

自行繞制線圈首先初步確定總匝數和線圈長度，將參數輸入電磁炮計算器，通過輸入線圈總匝數40匝、線徑0.8 mm、炮管外徑17 mm、線圈長度60 cm、銅的密度8.96 g/cm3和導電率1.7×10-8 Ω·m，可以得出纏繞的線圈的電感值和其他參數，并通過模擬器仿真可以調整線圈參數，以此調整彈丸出射速度和出射動能[5，6]。

3? 系統硬件設計

硬件系統主要包括兩部分：

（1）升壓子系統，如圖2所示，其為ZVS升壓電路，也稱“零電壓開關電路”。它比普通開關電源能效高，在高頻作用下，能大大降低開關電壓的損耗，提高電源效率[7，8]，可使一般的小功率軟開關電源效率提高到80%～85%。

（2）高壓電容放電子系統，如圖3所示。

4? 嵌入式軟件設計

軟件部分主要實現舵機控制，攝像頭和激光測距模塊信息采集、圖像處理、屏幕顯示、鍵盤調參、切換模式、一鍵啟動等功能：

（1）舵機控制。啟動后輸入目標舵機打角實現精確調節;

（2）攝像頭、激光模塊部分。攝像頭和激光模塊通過串口讀取需要的數據;

（3）圖像處理部分。識別紅色色塊并回傳色塊中心坐標;

（4）屏幕顯示部分。顯示當前模式編號、設定角度、距離等;

（5）鍵盤部分。利用4×4矩陣鍵盤實現模式切換、鍵盤調參、一鍵啟動等功能。程序開始初始化單片機所需的各個模塊，激光、攝像頭等開始工作、舵機打角至仰角和水平角度為0。接下來通過按鍵切換至輸入參數模式，等待參數輸入完成后充能。舵機水平搖擺直到鎖定目標，發射彈丸。圖4為本系統的主程序流程圖。

5? 系統測試與分析

5.1? 測試方案

按照設計目標設計測試方案如下：

（1）電磁炮打擊指定距離目標。輸入目標距離，判斷實際落點是否滿足目標距離，測試電磁炮彈道的穩定性;

（2）電磁炮向指定角度和指定距離發射測試。通過鍵盤輸入角度和距離，使電磁炮旋轉到指定角度后發射;

（3）電磁炮自動尋找引導標識發射測試。在-30°到30°的角度范圍內，放置引導標識，距離在2 m到3 m之間。電磁炮啟動后自動尋找引導標識，根據引導標識的位置向環形靶射擊。測試電磁炮的自瞄系統和測距效果。

5.2? 測試結果

共進行了8次測試，測試結果如表1所示。

5.3? 系統分析

根據上述測試，得到了該電磁炮系統在三種測試方案下炮彈落點與中心軸線的角度和與定標點距離的多組數據，由此可以得出以下結論：

（1）對于固定距離射擊，炮彈落點基本在靶標8環內，最大偏差不會超過15 cm;

（2）對于固定角度，固定距離射擊，云臺角度偏差在±1°內，炮彈落點基本在靶標8環內，最大偏差不會超過15 cm;

（3）對于自動尋找引導標識射擊，該電磁炮系統每次均能較好的識別并指向引導標識。炮彈落點基本在靶標7環內，最大偏差不會超過20 cm。

綜上所述，本設計達到了設計要求。

6? 結? 論

本系統采用攝像頭和測距模塊相結合的方式實現了目標的精準定位，能夠在指定的區域內自主搜索目標，并根據距離自動調節角度，實現精確的打擊。通過線圈與升壓模塊的組合模擬了軍用電磁炮的原理，實現了比較精準的炮彈制導，對于武器用電磁炮的設計有一定的指導意義。

參考文獻：

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[8] 李陽，秦濤，朱捷，等.電磁軌道炮發展趨勢及其關鍵控制技術 [J].現代防御技術，2019（4）：19-23.

作者簡介：梁明智（1999—），男，漢族，山東鄆城人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。