模擬電磁曲射炮裝置的硬件設(shè)計

廖 虎，韓大江，吳 栓，周楊帆，蘭召根，張金亮

（湖北汽車工業(yè)學院 電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引 言

電磁炮是利用電磁耦合的原理，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，加速推進彈丸，實現(xiàn)精準目標打擊的裝置。相對于傳統(tǒng)的火炮推進武器而言，具有隱蔽性好、射速高、成本低、安全可靠等諸多優(yōu)勢。隨著國際環(huán)境和戰(zhàn)爭形勢的變化，小型化、便攜式的輕型電磁炮作為新型武器裝備受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。近年來，對電磁炮射擊技術(shù)理論的驗證、裝備的實體化研究成為了各國探索的焦點。對其相關(guān)技術(shù)的研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。

本文基于電磁耦合原理，設(shè)計一款模擬電磁曲射炮裝置。根據(jù)實際系統(tǒng)應(yīng)用需求，首先對系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，進一步對系統(tǒng)電源、電磁發(fā)射等核心模塊電路進行了詳細的設(shè)計；結(jié)合二自由度旋轉(zhuǎn)云臺和攝像頭識別模塊，搭建了模擬電磁曲線炮的硬件實物，并對系統(tǒng)實物進行了功能測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)主要由主控數(shù)據(jù)處理模塊、按鍵輸入模塊、電磁發(fā)射模塊、引導標識識別模塊、云臺控制模塊和電源模塊組成，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

按鍵模塊：實現(xiàn)系統(tǒng)靶目標、任務(wù)命令、模式切換時相關(guān)參數(shù)的輸入。電磁發(fā)射模塊：實現(xiàn)儲能、能量轉(zhuǎn)換和加速發(fā)射彈丸。引導標識識別模塊：識別和測量靶目標與發(fā)射點間的距離。云臺控制模塊：通過兩個維度的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)對發(fā)射模塊仰角、左右偏移角度的調(diào)節(jié)。

電源模塊：為各子模塊供電，并進行不同電壓等級之間的轉(zhuǎn)換。

主控數(shù)據(jù)處理模塊：對各模塊的數(shù)據(jù)進行采集、運算、處理以及相關(guān)算法實現(xiàn)等。

2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

2.1 電源模塊

整個系統(tǒng)電源模塊供電需要三個不同的電壓等級，分別為：固定5 V輸出、3.3 V輸出和可調(diào)輸出，如圖2所示。

圖2 電源模塊電壓等級要求

對于5 V和3.3 V電源輸出，基于TI公司生產(chǎn)的DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片TPS5430進行模塊電路設(shè)計。TPS5430具有較寬的輸入電壓范圍，輸出電流高達3 A，且轉(zhuǎn)換效率高，具有開關(guān)使能、過流保護及熱關(guān)斷等功能，能夠很好地滿足本系統(tǒng)的性能要求。

基于TPS5430設(shè)計的5 V和3.3 V電源模塊電路分別如圖3和圖4所示。兩者應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)基本一樣，不同點在于輸出分壓電阻的選擇。輸出電壓由VSENSE腳的電阻（、和、）決定。參考電壓為1.221 V，對于5 V電源輸出，為9.1 kΩ，則確定為3 kΩ；對于3.3 V電源輸出，為9.1 kΩ，則確定為5.1 kΩ。

圖3 5 V電源模塊電路

圖4 3.3 V電源模塊電路

可調(diào)輸出模塊采用TI公司生產(chǎn)的降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596，該芯片輸出電流高達3 A，具有良好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。基于該芯片所設(shè)計的模塊電路如圖5所示，輸出電壓由參考電壓以及分壓電阻和共同決定，選取為330 Ω、為10 kΩ的可調(diào)電位器，從而實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)。

圖5 可調(diào)輸出電源模塊電路

2.2 電磁發(fā)射模塊

本系統(tǒng)采用的電磁炮結(jié)構(gòu)為線圈炮。線圈炮是由固定電磁線圈、大容量儲能元件、繼電器及控制電路構(gòu)成。基于直流電機原理，固定的電磁線圈作為炮管，通電后，靠同軸線圈作用的互感梯度形成強磁場，產(chǎn)生電磁力，加速彈丸并發(fā)射出去。

具體模塊電路如圖6所示。其中，為大容量儲能元件電容；為固定電磁線圈電感。電路基本工作原理為充電和發(fā)射兩個過程。模塊上電后，調(diào)節(jié)電位器改變采樣電壓，作為比較器的輸入，與設(shè)定的充電電壓對比，低于預設(shè)值，V輸出高電平；通過三極管放大電路驅(qū)動繼電器J接通311 V交流電，給電容充電，充電過程中采樣電壓V逐漸升高，直至達到預設(shè)值，比較器V輸出低電平，繼電器斷開，從而完成充電過程。通過V信號和開關(guān)K控制電容放電，放電瞬間，電磁線圈電流增大、周圍產(chǎn)生變化磁場，彈丸受電磁力作用，加速運動直至射出炮口。

圖6 電磁發(fā)射模塊電路

2.3 主控模塊及其他模塊

系統(tǒng)主控芯片采用意法半導體公司生產(chǎn)的32位處理器芯片STM32F103ZET6，主頻高達72 MHz，內(nèi)置高達512 KB的高速閃存，具有豐富的I/O端口和各類標準的通信接口，完全滿足系統(tǒng)的功能和性能要求。主控芯片的最小系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 主控最小系統(tǒng)電路

云臺控制模塊是由兩個舵機組成的二自由度旋轉(zhuǎn)小型云臺，采用的是大扭矩、高性價比的舵機，通過多功能口直接進行連接固定，可以在水平和垂直方向做二自由度運動。結(jié)合攝像頭識別模塊，可以實現(xiàn)對靶目標的跟蹤。

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)設(shè)計的原理圖制作PCB，購買主要的芯片或者模塊，完成焊接工作后進行硬件測試。測試主要內(nèi)容和結(jié)果見表1所列。

表1 硬件測試結(jié)果

硬件主要模塊測試完畢后，編寫軟件代碼，進行軟硬件聯(lián)調(diào)，進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。經(jīng)過多次測試證明，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，能夠很好地跟蹤給定范圍的靶目標，自動調(diào)整電磁炮的發(fā)射角度，并發(fā)射彈丸，滿足系統(tǒng)預期的功能要求。

4 結(jié) 語

本文基于電磁耦合、自動控制、圖像識別等技術(shù)，設(shè)計了一種模擬曲射電磁炮裝置。以STM32為控制核心，對系統(tǒng)的主要硬件模塊進行了詳細設(shè)計和分析。通過實物測試表明，系統(tǒng)能夠滿足預期的功能要求和設(shè)計指標。受限于當前的實驗條件和環(huán)境，在靶目標的跟蹤、對準以及射擊的精度等方面仍有待提高。未來將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)進行融合。