基于STM32 的模擬電磁炮實驗裝置研究與實現

朱俊杰，繆文南

（廣州城市理工學院電子信息工程學院，廣東廣州 510800）

隨著科技的快速發展，軍事武器不斷更新迭代，電磁炮在軍事武器研究中受到越來越多的關注[1-3]。傳統的發射炮因為成本、精度、穩定性等問題，難以適應軍事武器的發展，而利用電磁技術研制的電磁炮具有彈藥初速塊、體積小、重量輕、命中率高等優點[4-6]。近年來，越來越多學者對電磁炮進行理論研究和實驗測試，文獻[7]提出了電磁炮高速彈藥膛內運動穩定性的研究，利用軌道炮的動力學和運動性能分析進行仿真，分析彈藥的速度和射擊距離。文獻[8]對三級電磁炮的研究與設計，實現了電磁炮遠距離的射擊。文獻[9]設計了一款電磁曲射炮裝置，使用云臺建立彈丸的運動軌跡計算位移。大部分的研究文獻主要對電磁炮的發射裝置進行了研究和實驗測試，對電磁炮發射的自動控制和射擊精度的性能研究文獻較少。因此，該文設計了一種新型的模擬電磁炮系統，該系統搭載了云臺、openmv 模塊、電磁炮射擊裝置，并使用BNO055 角度傳感器讀取電磁炮瞄準目標的角度，通過PID 算法實現對云臺轉向及電磁炮射擊裝置的閉環控制，研制的模擬電磁炮具有手動模式和自動模式尋靶功能。測試結果表明，模擬電磁炮打靶具有較高的精度和穩定性，達到了設計要求，為新型電磁炮的研究和設計提供了新的思路。

1 系統方案整體設計

系統選用觸摸屏作為人機交互界面，可選擇手動尋靶模式和自動尋靶模式。電磁炮裝置放在距離紅色引導標志目標230～330 cm 處，固定云臺的發射仰角，建立子彈斜拋運動模型，以便計算子彈初速度和偏航角。通過手動輸入目標距離或者使用openmv圖像識別模塊搜尋目標并計算目標距離，然后調整云臺偏航角，控制模擬電磁炮超級電容充放電時間，根據引導靶射擊地面上的環形靶。系統的整體示意圖如圖1 所示。

系統包含STM32F103 微處理器的主控系統、電磁曲射炮、兩軸舵機云臺、角度測量模塊、圖像識別模塊、電源管理模塊、觸摸屏人機交互界面七部分。系統硬件框圖如圖2 所示。

1.1 系統結構設計

根據系統方案設計，電磁曲射炮主要由舵機云臺、炮筒、線圈、超級電容組成，炮筒正對向下安裝攝像頭，用于前方目標的識別與跟蹤、測距功能，其效果圖與實物圖如圖3 所示。

1.2 主控系統與云臺

系統采用STM32F103 微處理器進行設計，為整套系統提供運算處理能力，實現電磁炮對目標靶的識別與精準射擊。控制過程主要包括云臺角度控制、電磁炮發射控制、數據軟件過濾、目標識別與跟蹤等。

云臺由兩軸舵機組成，形成二自由度控制系統，控制炮筒的俯仰角和偏航角，實現水平方向和俯仰方向的調整[10-11]。舵機采用RP8-S41 數字舵機，該舵機采用多路串行的全新架構，舵機可直接實現ID 的自動分配，反應速度可達到0.098 s/60°，有效角度為270°，扭矩達到45 kg/cm，主控系統通過輸入角度直接控制云臺偏航角和俯仰角。云臺安裝BNO055型號9 軸角度測量傳感器，利用PID 算法對舵機進行閉環控制，提高電磁炮射擊俯仰角和方位角的精度。裝置初始化時，云臺俯仰角和偏航角回歸至中心點。

1.3 電磁曲射炮線圈管設計

電磁炮又稱為“同軸發射器”，其中，單級感應線圈炮一般由儲能電源（如電容器組）、驅動線圈、發射組件（包括電樞和彈丸）和觸發開關等硬件組成[12]。電磁炮感應線圈設計需要考慮的參數眾多，主要包括驅動線圈匝數、磁導率、驅動線圈、銅線直徑、電容值、電壓值、電樞觸發位置等重要參數[13]，設計難度較大，于是選擇線圈模擬器進行仿真設計。在仿真器上輸入原始數據，LCR 仿真數據欄中輸入電容耐壓值和電容值，通過計算分析得出各項參數，LCR 仿真圖及數據如圖4 所示。

系統選擇的彈體為直徑25 mm 的鐵球，炮管長120 mm，初始位置為-30 mm，初始速度為0 m/s，根據仿真得出數據，可獲得發射子彈的瞬時速度、能耗、效率等數據。然后系統鎖定云臺仰角，結合電容充放電時間獲取瞬間電壓，此時感應線圈管的瞬間電壓控制子彈的速度和距離。設計電路時，選擇額定電壓為470 V，超級電容C為1 000 μF，電容充放電計算如式（1）所示：

式中，V0為電容上的初始電壓值，Vu為電容充滿終止電壓值，Vt為任意時刻t電容上的電壓值。由上式可得，計算初始電壓為E的電容C通過R放電所需的時間。

1.4 電磁炮充放電電路設計

電磁炮充放電電路對電磁炮發射起到非常重要的作用，設計電路如圖5 所示，電路主要由繼電器、直流升壓電路、可控硅、超級電容組成。利用繼電器和可控硅實現主控系統對充電電路的控制，通過電路測試可知，該電路充放電可控性強、性能穩定且具有良好的抗干擾性。

2 系統軟件設計

2.1 系統總體流程設計

該裝置總體軟件流程圖如圖6 所示。系統啟動后首先對所有參數進行初始化，用戶可選擇自動瞄準和手動控制兩種模式。當選擇手動控制時，用戶輸入目標點距離和靶心中心軸線上的偏航角，首先根據建立的子彈運動模型計算電磁炮射程；然后主控器調整云臺姿態獲取偏航角；最后啟動對電容進行充電，根據充電時間閉合繼電器、發射子彈。

當用戶選擇自動瞄準模式時，主控器控制openmv從-45°～+45°進行掃描，當識別目標靶后，云臺調整電磁炮的俯仰角，讓電磁炮與目標靶取向在同一軸線上，測量電磁炮與環形靶中心點的距離。然后主控器將距離和云臺偏航角輸入子彈運動模型，啟動超級電容進行充電，根據充電時間閉合繼電器、發射子彈。

2.2 子彈運動模型分析

子彈發射運動軌跡為斜上拋運動軌跡，子彈以一定初速度斜向上拋出去，在忽略空氣阻力等情況下，子彈做勻變速曲線運動，運動軌跡為拋物線，根據運動力學定理，子彈合力由水平方向的彈射力和重力組成[14]，如圖7 所示。

當線圈管與地面水平時，出口位置即為最高點，假設出口與地面的垂直距離為h,子彈落地與線圈管出口水平距離為S1，出口速度為Vout，由拋物線運動方程計算可得：

當子彈做斜拋運動時，忽略子彈在炮管與槍管內壁的摩擦力等因素，假設線圈炮出口與子彈落地位置為S2、子彈與地面的垂直高度為H，可計算出口的速度Vout，通過力學分析得，在t時刻，VX=Voutcosθ，VY=Voutsinθ-gt，由拋物線運動方程可得：

2.3 openmv目標靶識別與測距

openmv 攝像頭是一款小巧、低功耗、開源、低成本的機器視覺傳感器，系統采用openmv 模塊實現圖像處理、圖像分析與處理、目標定位等功能[15-16]。為減少環境因素的干擾，打開照明進行補光，其工作流程如圖8 所示。

同時利用該裝置基于openmv 傳感器進行單目測距，根據圖像攝取的物體焦距、物體離地面的高度及障礙物在水平面的位置，通過光學原理測定障礙物的距離，即攝像頭與引導目標靶的距離[17-18]。單目視覺測距工作原理示意圖如圖9 所示。

圖9 中，AX和BX為openmv 攝像頭的成像，Hm和Rm為障礙物（引導目標靶）的實際值，由幾何公式推導可得測距為：

2.4 電磁炮發射流程

電磁炮發射首先將電磁炮發射裝置12 V 電壓逆變提升為200 V 電壓，STM32 微處理器采集電容組的電壓控制繼電器。當充電到設定值時，啟動繼電器1，對電容組充電。當電磁炮瞄準目標或確定目標距離時，微處理器啟動繼電器2 打開晶閘管，電容組為電磁炮感應線圈供電，發射子彈[19-20]。電磁炮發射裝置控制流程如圖10 所示。

3 系統測試分析

系統測試分為手動控制模式和自動模式，環形靶放置離實驗裝置距離在200～300 cm 之間，與中心軸線偏離角度為θ(-45°≤θ≤45°)，文中主要測試系統的精準度和穩定性。在手動模式下，不斷改變目標靶與實驗裝置的距離和偏航角，每個輸入參數測量10 組數據，記錄落點的位置，統計平均誤差，得到數據如表1 所示。在自動模式下，不斷改變靶心的距離值和靶心偏航角，每個輸入參數值測量10 組數據，測量并記錄落點位置的同時，記錄目標靶跟蹤的時間，統計平均誤差和跟蹤時間的平均時間，得到的數據如表2 所示。

從表1 數據發現，手動模式的平均誤差約為1.41 cm，精準度較高，穩定性強。在自動瞄準模式下，目標距離的選擇有200 cm、230 cm、270 cm、300 cm，距離在相同值下，目標值從-45°開始到45°，每次增加30°，記錄并計算落點的平均誤差和跟蹤時間，從表2數據發現，自動模式的平均環數為8.66 環，平均誤差為1.34 環，平均跟蹤環數為8.60 環。從表1、表2 分析得知，該系統的射擊精準度高、穩定性強，自動跟蹤性能良好，具有較好的魯棒性。

表1 手動模式測試數據記錄表

表2 自動模式測試數據記錄表

4 結論

該文研究了電磁炮系統總體的結構設計,建立了子彈發射模型、以運動導體所受洛倫茲力為基礎，按照電磁炮的最大有效射程及最大設計射速為依據，計算設計儲能電容、線圈，控制充放電電流及充放電時間，充分利用openmv 識別與測距方面的優勢，并將其嵌入到STM32F103 微處理器中，實現了云臺角度控制、電磁炮發射控制、目標識別與跟蹤等功能。經設計、組裝、調試，采用手動、自動兩種模式分別對系統進行現場測試，其中手動模式整體的平均誤差約為1.41 cm、自動模式下的平均環數為8.66環，平均跟蹤環數為8.60 環。測試結果表明，該系統能夠快速對引導靶物體進行跟蹤并測量出兩者之間的距離，調整云臺的偏航角控制射擊裝置，利用儲能電容充放電實現電磁炮自主打靶，具有較高的射擊精準度和魯棒性。該電磁炮的成功研制，為新型電磁炮的研究提供了新的設計方法和思路。