電磁曲射炮實驗裝置的設計與實現

劉文昊，高傳智，謝 瑋

(哈爾濱工業大學(威海)信息科學與工程學院，山東 威海 264209)

0 引言

隨著現代軍事科技技術的發展，電磁炮的先進發射技術逐漸普及。從電磁炮制作愛好者到大學生科技立項、再到國家級的電子設計大賽，都對模擬電磁炮技術有深入的研發要求。電磁炮是通過電磁場提供動能發射技術的先進武器[1-2]，涉及到電磁學、運動學、機電定位機構和自動控制系統設計等諸多學科知識。對于電磁炮愛好者或者初級研究者來說，要做一個實用化的小型電磁炮還會遇到諸多困難。因此本課題在參加2019年全國大學生電子設計大賽的基礎上，結合實驗室教學的需要，給出一種電磁曲射炮實驗裝置的設計與實現方法，可以作為電磁炮運動學，圖像識別，單片機控制系統和物理實驗驗證的教學用具。同時也給初學者一個詳細的理論設計和實驗構建過程指導作用。線圈型的電磁炮具有制作簡單，推力大和可控性高等優點[3]，因此受到廣大電子愛好者的喜愛，目前的研究大多偏重于做一個電子設計或者參加比賽[4-5]，從實驗裝置層面來系統考慮的設計不多，因此本課題給出的實驗裝置和系統的設計過程，將有助于幫助學生更好的融合相關知識，深入理解電磁曲射炮的原理和實驗裝置的設計和實現過程。

1 電磁曲射炮實驗裝置設計

1.1 實驗裝置整體概述

該實驗裝置是一個由單片機控制的曲射線圈電磁炮實驗裝置，該裝置可以通過手動輸入給試驗裝置的相關參數，執行向固定方向，固定距離發射彈丸，也可以通過OPENMV攝像頭模塊[6]和TFmini激光傳感器模塊對目標進行識別和自動打擊，線圈炮發射的仰角，方位角，彈丸初速和識別算法均可修改，可以作為電磁炮運動學，圖像識別，單片機控制系統和物理實驗驗證的教學用具。

該實驗裝置基本功能分為5種模式，這些模式可以通過撥碼開關進行設置，當前模式，輸入數據等參數均顯示在LCD屏幕上，分別介紹如下。

1)向固定位置發射炮彈：

電磁炮裝置在進入模式1后，單片機自動設定水平角度0度，距離210 cm，按下矩陣鍵盤上的發射按鍵，電磁炮會發射炮彈。

2)向自定義位置發射炮彈：

電磁炮裝置在進入模式2后，用戶通過鍵盤設定發射距離和水平角度，按下矩陣鍵盤上的發射按鍵，單片機控制云臺調整到設定的水平角度和仰角，控制電磁炮發射炮彈。

3)自動瞄準模式A：

電磁炮裝置在進入模式3后，電磁炮云臺水平旋轉，同時通過OPENMV攝像頭模塊使用模塊匹配算法和顏色識別算法識別引導靶[19]，識別到引導靶后，控制云臺轉動對準引導靶[20]，不再轉動，通過TFmini傳感器測量引導靶距離，根據距離調整云臺仰角，發射炮彈。

4)自動瞄準模式B：

電磁炮裝置在進入模式4后，電磁炮云臺在-30°～30°持續水平左右轉動，仰角始終保持與預設距離對應的角度不變，在發現引導靶且引導靶接近圖像中央時發射炮彈，同時云臺在水平角度方向繼續保持旋轉。

5)彈倉裝填炮彈模式：

電磁炮裝置在進入模式5后，電磁炮動作根據撥碼開關的選擇執行模式3或模式4的動作，只是會在發射炮彈之后，自動從彈倉內向炮管中裝填一枚炮彈，但彈倉內的炮彈需要手動裝填。

1.2 發射機構的分析和計算

1.2.1 發射機構原理說明

如圖1所示，電磁炮發射機構采用了磁阻式電磁彈射裝置，當線圈通電時，彈丸處于不同位置會使得線圈磁路的磁阻不同，彈丸處于線圈外部時磁阻較大，此時線圈會對彈丸產生電磁吸力以使得彈丸進入繞組中部，從而使磁阻最小，同樣若彈丸處于繞組前部，線圈會對彈丸產生阻力[17]，因此使用電容快速放電的特性，讓線圈僅通電較短時間，以確保線圈盡可能少地對電阻施加阻力，提高能量利用效率。此時彈丸的初始位置極大地影響了電磁炮的發射速度[8-9]，在這里選取了線圈前1 cm左右處作為彈丸初始位置。

圖1 發射機構示意圖

1.2.2 發射機構參數計算

設線圈匝數為W，線圈中所通平均電流為，則磁路磁勢大小：

F=WI0

磁通大小Φ=F/Rm,其中Rm=L/μ0S為磁阻,L為磁路長度，S為線圈截面積。

磁阻電磁力大小[7]：

故線圈對小球所做的功為：

其中：L0為小球等效磁路長度，則小球發射初速度為:

設計要求小球發射距離不小于3 m，則小球初速度不小于5.4 m/s，小球質量m為3.5 g，則線圈對小球做功為0.051J，電磁炮磁路長度L取6 cm，亞克力管直徑為14 mm，故磁路面積取2 cm2，小球磁路長度L0取小球直徑，即9.5 mm，由于線圈沒有磁芯，故其感抗在數值上遠小于電容容抗和線圈內阻，故電容放電過程可以看作RC電路的放電過程，3倍時間常數τ后電流基本為0，故等效電流I0取:

其中：r為電容和線圈的總內阻，假設為0.1 Ω，電容使用1 000 μF，500 V的電解電容，電容工作電壓取200 V(若計算值與實際值有誤差，可以采用適當增減電壓的方式進行調整)，解得匝數為291匝，取300匝，電容放電時間常數:

τ=Cr=1×10-4s

遠小于小球運動1.5 cm所需時間0.03 s，故認為電容取值合理。

2 系統的硬件設計

2.1 系統總體框圖

圖2 系統總體框圖

電磁炮模塊電路如圖3所示，其中MCU_launch網絡節點為單片機控制信號輸入端，MCU_vdetect為電容電壓監測端，在MCU_vdetect引腳接收到有效電平，即LED0亮起時才允許發射.

圖3 電磁炮子系統電路設計

圖3所示電磁炮驅動電路中包含4個部分，每個部分在圖中分別被虛線框標出，每個部分的原理和作用分別為：

電磁炮發射機構主體部分電路中，ZVS升壓模塊可將輸入12 V電壓升高至最多450 V，且輸入與輸出端口的負極在內部相連，輸出端口正極有二極管防止電流倒灌，電路工作時，先是充電過程，晶體管Q2打開，Q1關閉，電容C2充電，C2充電至預設電壓后，打開Q1，關Q2(晶閘管Q1本身不具備可關閉性，需要令其上電流為零才能恢復關斷狀態，故需斷開充電電路)C2經發射線圈L1放電，發射炮彈。

發射控制部分電路中，70TPS16為控制電容放電，驅動線圈的晶閘管，該電路配備了兩組并聯的開關電路(分別為手動控制和單片機控制)為晶閘管提供啟動信號，查閱數據手冊可知該型號晶閘管啟動電流為100 mA，故使用PNP型三級管為其提供啟動電壓，并使用光電耦合管對輸入信號進行隔離，手動控制部分除開關外，另有一個二極管和一個電容用于儲存一定電荷，保證整體電路斷電后，仍能使用開關將電容內殘余電量放出，以防觸電。

晶閘管關斷電路功能為：放電瞬間，晶閘管Q1導通，Q1的2號引腳電壓降為0，二極管D導通，從而使三級管Q4導通輸出高電平，使得Q5導通，輸出低電平，關斷MOS管Q2，ZVS不再供電，電容器C2電流經過回路C2，Q1，L1被放出直至電流降低至100 mA以下，C2正負極電壓降到很低(具體數值不穩定，但通常小于8 V)，從而關斷Q1，Q1關斷后，2點電壓上升，但上升至接近12 V時，Q2重新被導通(不是完全導通)，使電容C2負極電壓下降，電流經由R5，D1，L1，C2，Q2構成的回路對電容持續充電，C2電壓逐漸降至0，在C2負極電壓降為0之前，Q2始終工作在線性區，電壓逐漸下降，此過程2點電壓，始終保持恰好使Q5導通的程度，由于此過程經過了兩級放大，可以認為2點的電壓恒定為10.6 V，充電電流始終為0.7 mA，C2降為0后，電容繼續充電，其正極電壓上升，導致2點電壓上升，Q5進入穩定導通狀態，故一次放電之后需要經過3秒左右的時間才能進行第二次充電，起到了保護ZVS模塊的效果，這個過程無需單片機進行控制，保證電路不會因單片機程序錯誤導致模塊被燒壞，理論上首次上電需要的時間會長達15 s左右，但由于ZVS內部存在從輸入直接流向輸出端的單向回路，實測上電時間遠小于理論值，大約7到8秒，值得注意的是，二極管D1反向耐壓值不應小于500 V，本設計中使用了1N5408，耐壓值為1 000 V。

在電容電壓指示部分，電容電壓經R1，R3分壓后與電位器產生的參考電壓進行比較，輸出信號接指示燈并經過光耦輸出給單片機，使用時應確保將單片機對應引腳配置為上拉輸入，在電容電壓足夠高時，LED亮起，同時單片機收到電磁炮子電路的低電平信號。

2.2 系統的其他部分設計

本裝置基于龍邱科技K66核心板設計了一個主控板，該款單片機接口豐富，主頻較高，適用于本設計，但不是唯一選擇。單片機與裝置其他電路模塊的連接分別為：單片機與OPENMV，TFmini和CDS5500舵機之間使用串口通信，單片機控制電磁炮發射使用2個通用IO接口，與矩陣鍵盤間通信使用了8個通用IO接口，與LCD屏幕間使用SPI協議通信?？梢允褂萌魏我豢畎陨辖涌诘膯纹瑱C來替代，故不做詳細說明。

本裝置中使用的傳感器包括OPENMV攝像頭模塊和TFmini激光傳感器兩部分，OPENMV是一個開源的嵌入式機器視覺平臺，可以通過編寫代碼來實現簡單的圖像識別等功能，同時具有豐富的接口，方便與嵌入式設備進行通信，本實驗裝置使用該模塊進行標靶方向的識別，TFmini激光傳感器是一個紅外激光測距傳感器，本設計中使用該模塊進行標靶的距離測量。

本實驗裝置主體部分為一個由CDS5500舵機驅動的2軸云臺，該舵機具有總線式控制，內置角度閉環，精度高等特點，便于提高電磁炮的瞄準精度。本裝置還包含了一個12鍵的矩陣鍵盤用于輸入控制參數，修改運行狀態等功能，同時配備一個3.5寸LCD屏用于顯示當前工作模式和輸入參數等交互信息。

3 系統的軟件設計

3.1 控制算法的設計

3.1.1 仰角的控制

仰角和發射炮彈距離成二次函數關系，因此根據設定的發射炮彈距離就可以反解出仰角，然后單片機控制云臺上的豎直方向的CDS5500舵機達到設定的仰角。

電磁炮在固定仰角下，炮彈的仰角是斜拋運動，但是不同仰角下炮彈的射出初始位置不同。故對仰角和炮彈的落地點的擬合函數并不是簡單的斜拋函數。首先采集了200～310 cm范圍內一些有關仰角和距離的數據，分別進行了分段線性擬合和分段二次多項式擬合。本文采用相鄰兩點進行分段線性擬合(圖4)，第一段函數表達式y=4.5x+138.5，其余各段函數表達式限于篇幅不再列出。對于分段二次多項式擬合，本文采用每相鄰3個點進行了分段二次多項式擬合(圖5)，第一段的擬合的二次項函數式為y=2x2-49.5x+502，其余各段函數表達式限于篇幅不再列出。

圖4 相鄰兩點進行分段線性擬合

圖5 每相鄰三個點分段二次多項式擬合

在此選取了202.5 cm、207.5 cm等幾十個點進行實驗驗證，將他們的偏差記錄下來取平均值，分段二次多項式偏差平均值為0.3 cm，分段線性擬合偏差平均值為1 cm，我們認為在射程200～310 cm分段二次多項式效果最好，因此采用分段二次多項式擬合。

3.1.2 水平方向角控制

手動模式下，人工輸入水平方向角，單片機控制云臺上的水平方向的CDS5500舵機達到設定的水平方向角。自動模式下，當電磁炮處于往復轉動模式時，水平方向角設定為-30°～30°范圍；當電磁炮不處于往復轉動模式時，OPENMV攝像頭會識別標靶的位置，并通過串口通信將數據發回給單片機，由于攝像頭圖像中心和電磁炮炮筒位置在豎直方向上是在一條直線上，因此當云臺轉動到標靶正好位于OPENMV圖像中心時，電磁炮停止轉動。通過PID控制舵機實現云臺精確轉動到標靶位于OPENMV圖像中心。

3.2 程序設計流程圖

模塊化設計，實驗裝置上電工作后，首先對傳感器進行初始化，通過撥碼開關切換各種模式，然后根據選中模式執行相應的動作。程序設計流程如圖6所示。

圖6 程序設計流程圖

4 測試與驗證

4.1 測試步驟

1)電磁炮發射距離精度測試步驟：

電磁炮模式選擇為模式1，發射炮彈，記錄數據。

2)電磁炮打靶測試步驟：

電磁炮模式分別選擇為模式3和模式4，射擊標靶，記錄數據。

3)電磁炮射程測試步驟：

電磁炮模式選擇為模式2，手動設定電磁炮電壓和仰角，測量射擊距離，記錄數據。

4.2 測試結果及分析

由表1可知，電磁炮發射距離偏差均值為1.125 cm,可以看出發射距離精度較高。

表1 電磁炮發射距離測試結果

由表2可知，電磁炮打靶平均偏差為0.125環，可見電磁炮打靶精度較高。

表2 電磁炮打靶測試結果

由表3的測試數據可以看出，電磁炮最遠射程超過3 m，實物如圖7所示。由此可見，該裝置電磁炮充放電系統工作正常，射程也滿足設計要求。

表3 電磁炮射程測試結果

圖7 實物裝置

綜上所述，該系統射擊精度較高，并且能夠通過調整電壓調整射程范圍，滿足電磁炮實驗裝置的設計要求。但是本電磁炮實驗裝置具有一些缺陷，比如TFmini傳感器精度為cm級傳感器，檢測距離存在誤差，可以通過更換更高精度的激光傳感器減小檢測誤差。

5 結束語

本文設計了一種電磁曲射炮實驗裝置。結合TFmini傳感器距離測量信息和通過OPENMV攝像頭提供的視覺信息，精確控制水平方向角和仰角，可以實現手動和自動瞄準，實現規定距離的發射和精準打擊功能。從設計過程和實物裝置測試的結果來看，適合應用于實驗教學，具有一定的推廣價值。當然，本系統還有進一步的改進空間，適當的延長炮筒，增加線圈級數[10,13,18]，附加多極磁場組成線圈-多級場混合發射系統[11]和設計精準的充放電控制過程[12]，使用串聯電容組[14]和高壓直流轉換器[15]通過升壓方式提高電磁炮發射初速度[16]可以實現更遠距離的自動瞄準射擊。未來此裝置如果裝在巡檢機器人上，可以實現定點作業等功能，更能拓展其應用場景。