模擬電磁曲射炮控制系統設計

林娟，王永靖

（蘭州工業學院電氣工程學院，甘肅蘭州，730050）

關鍵字：STM32F103ZET6單片機；線圈電磁炮；舵機；超聲波傳感器

0 引言

采用單片機為控制核心，超聲波模塊檢測引導標識的位置，并以脈沖電信號的形式反饋給單片機，經單片機計算處理后用來調整云臺的位置。系統包括單片機、舵機、繼電器模塊、儲能式電容、電源模塊組成。由舵機來控制炮筒轉動精確的角度，利用超聲波模塊測出電磁炮與靶之間的距離。

1 系統方案

系統方案如圖1所示，單片機STM32F103資源豐富，32位的單片機使PWM信號的脈沖寬度實現微秒級的變化，從而提高電機的轉角精度單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為PWM信號輸出到電機，由于單片機系統是一個數字系統，其控制信號的變化完全依靠硬件計數，所以受外界干擾較小，整個系統工作可以通過直流電機來帶動旋轉臂，從而帶動擺桿。

圖1 系統方案

2 理論分析與計算

2.1 電磁炮參數分析

根據電磁感應定律，模擬電磁炮利用強脈沖電磁能來發射子彈。電磁炮采用線圈式推進，儲能式電容放電，從而產生較強電流作用。電流通過線圈后產生瞬間的強磁場，作用在金屬子彈上產生渦流，子彈受到安培力作用后加速。電磁炮將電源的電能轉化為子彈的動能和內能。線圈將電能轉變為磁場能，通過電磁相互作用，最終實現能量的轉換：

2.2 彈道分析與計算

其質點外彈道運動方程組如下:

式中v為彈丸存速(m/s)，t為彈丸飛行時間(s)，ρ為空氣密度(kg/m3)，m為彈丸質量(kg)，S為彈丸最大橫截面積(m2)，Cx為阻力系數，g為重力加速度(m/s2)，θ為彈道傾角(rad)，x為彈道上任意點水平距離(m)，y為彈道上任意點高度(m)，其中:t=0，v=v0，θ=θ0，x=y=0。

彈道系數的計算公式為

中，C為彈道系數，i為彈形系數，d為彈徑，G為彈丸重量。

3 硬件電路設計

3.1 最小系統模塊電路

采用STM32F103單片機，它是一款增強型32位單片機，該單片機采用Cortex-M3內核內核，可運行在72MHz總線頻率上。擁有256KB FLASH;48KB RAM；18通道A/D模數轉換器；30通道PWM輸出。

3.2 電機驅動模塊電路設計

電機驅動模塊電路如圖2所示。

圖2 電機驅動模塊電路

3.3 超聲波模塊

本模塊使用方法簡單,一個控制口發一個10μS以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時器計時,當此口變為低電平時就可以讀定時器的值,此時就為此次測距的時間,方可算出距離。如此不斷的周期測,即可以達到移動測量的值。

3.4 電源整流電路設計

電源整流電路如圖3所示。

圖3 電源整流電路

3.5 舵機模塊

舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對應的控制關系是這樣的：0.5ms--0度；1.0ms--45度；1.5ms--90度；2.0ms--135度；2.5ms--180度。整體硬件接線圖如圖4所示。

圖4 硬件接線圖

4 軟件電路設計

模擬電磁炮軟件流程如圖5所示，由手動模式和自動模式組成，超聲波檢測，仰角計算等組成。

圖5 模擬電磁炮軟件流程如圖

5 基本測試結果

5.1 系統硬件測試

實物測試如圖5所示，對系統的硬件進行測試，測試結果如表1所示。

表1 電磁炮能夠將彈丸射出炮口

對硬件手動進行測試，在彈道內放入子彈，經測試，系統的相應時間為2s左右，基本滿足設計要求。

圖6 實物測試圖

5.2 系統基本數據采集測試

手動調節電磁炮的角度，并在不同的距離處采集數據，為后期算法處理提供原始數據，采集的數據如表2所示。

表2 電磁炮將彈丸發射至環形靶的位置

5.3 系統跟隨標識移動測試

以電磁炮為圓心，將目標靶放置不同的距離處，讓系統自動進行掃描打靶，測試的數據如下表3所示。

表3 跟隨標識移動

6 結論

本系統通過按鍵電路選擇自動或者手動模式，在手動模式下，用戶可以手動輸入靶心與系統的距離以及水平偏差角度，在自動模式下，用戶一鍵啟動之后，系統自動掃描，在外界干擾不大的情況下，利用超聲波檢測的數據，自主計算出需要旋轉的仰角角度，并且驅動繼電器將儲能電容的能量作用于線圈，在線圈產生的強磁場下，安培力作用子彈加速運動，擊中目標，經測試系統功能良好。