一種模擬電磁炮發射電路的設計

高偉

（蕪湖職業技術學院電氣與自動化學院，安徽 蕪湖 241003）

0 引言

以電磁發射技術作為基礎的電磁炮是目前世界上一種較為先進的動能殺傷武器[1]。傳統大炮是用火藥燃氣壓力發射炮彈，而電磁炮則是利用電磁系統中電磁場產生的安培力來發射金屬炮彈，從而獲得打擊目標所需的能量，與傳統的大炮相比，電磁炮的炮彈的速度和射程都得到了非常大的提高[2]。目前各國都在致力于電磁炮的研究。

本文采用STM32F103ZET6 單片機作為主控系統，設計了一套電磁炮射擊瞄準系統，實現了手動定點打靶、自動打靶、運動打靶等功能，具有結構簡單、觸摸按鍵選擇功能、界面美觀、成本低等特點。

1 各單元模塊選擇

本系統的組成包括單片機控制模塊、靶標位置采集模塊、電磁發射模塊、顯示模塊，以下為模塊設計與選擇方案。

1.1 主控單片機選擇

方案一：采用STC89C51 單片機。該型單片機優點是價格便宜，結構不復雜；缺點是系統資源不豐富，只是8 位處理器，運算能力弱，精準度低，而且還需要連接許多外部電路，使系統變得更加復雜，無法滿足設計要求。

方案二：采用STM32F103ZET6 單片機。該型單片機的優點是系統資源豐富，32 位處理器，主頻最高可達到72MHz，能快速采集和處理數據，所以STM32F103ZET6非常適合作為自動控制系統的控制器。

綜合以上兩種方案，選擇方案二的STM32F103ZET6[3]。

1.2 靶標位置采集模塊選擇

方案一：采用紅外傳感器。紅外傳感器分辨能力有限，對光線要求較高，測距精確度低。

方案二：采用超聲波測距，對于兩米以外的目標，測距精度低，其次抗干擾能力差，因此超聲波測距難以滿足要求。

方案三：采用openmv3 攝像頭對靶標位置進行實時采集，其具有分辨率高、實時性好等優點，其能夠實時反饋靶標位置及角度信息[4]。

綜合以上3 種方案，選擇方案三。

1.3 電磁發射裝置的選擇

方案一：導軌型電磁發射器，由兩條平行導軌（初級）、電樞（次級）、發射載荷和電源組成，而且導軌需要使用耐燒蝕、耐磨損，并具有良好導電性的材料制作而成。此方案對于導軌的材料要求高、從而導致制造成本高，所以不予采用。

方案二：重接型電磁發射器，利用兩個磁場重新接觸時產生的相互作用力來推動炮彈高速前進。它是一種可多級加速、無接觸、有初速度的感應發射器。此方案制作要求高、成本高。

方案三：線圈型發射器，可以通過脈沖或交變電流產生的磁場，從而驅動帶有線圈或磁性材料的發射體的裝置。其要求低，可以手工制作切成本低，同時完全可以達到本題設計要求。

綜合以上3 種方案，選擇方案三。

1.4 顯示模塊的選擇

方案一：OLED 顯示屏，對比度高，厚度薄、視覺廣，支持SPI80806800 和IIC，但其屏幕小、不可觸摸、性價比低。

方案二：TFTLCD 觸摸顯示屏，TFT 為有源矩陣液晶顯示屏，屏幕信息顯示的速度快、亮度強、對比度高，接口為16 位8080 并口LCD 模塊。可以實現觸摸顯示，尺寸大，性價比較高。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

2 電磁炮射擊瞄準系統理論分析與計算

2.1 系統理論的分析

2.1.1 電磁發射裝置原理

利用直流穩壓電源提供12V 直流電壓，經過升壓變為450V。繼電器K1、K2 的通斷就是通過單片機PE5、PB5 兩個IO 口分別進行控制，從而實現電解電容C1 的充放電控制。當電容充電之后，繼電器K1 斷開、K2 閉合時，電容C1 開始放電，短時間內流過電磁炮線圈的電流激增，即電流變化率很大，導致線圈磁場增大，產生的磁力將彈丸彈出。

2.1.2 彈道分析

彈道是指炮彈或其他發射體質心運動的軌跡。因為炮彈理論上做的是斜拋運動，所以彈道與初速度v0和水平面的夾角β 有關。本設計通過控制電容放電時的初始電壓相同，即電容放電時電容的初始儲能相同，使得理想情況下，彈丸的初速度v0不變，由于初始電壓相同，所以通過改變夾角β，達到改變彈丸射程的目的。

水平方向分速度：v1=v0cosβ。

豎直方向分速度：v2=v0sinβ。

綜上分析可知，射程d 與夾角β 有關，當0°≤β≤45°時，射程隨著β 角的增大而增大；當45°≤β≤90°時，射程隨著β 角的增大而減小；當β=45°時，射程最大。通過分析可知，本設計可以通過調整炮口與水平的方向的夾角β，來獲得不同的射程[5-6]。

2.2 系統參數計算

2.2.1 電磁發射裝置參數計算

電磁發射裝置電路原理如圖1 所示，線圈磁場H=nI，其中I 是通過線圈的電流，n 是線圈的匝數，可見磁場大小與線圈匝數和電流有關。通過實驗及查閱文獻易知表明，匝數在一定范圍內增加，彈丸射程越大一旦超過這個范圍，即使再增加匝數，彈丸射程反而會降低。通過不斷地實驗，線圈匝數為n=200 左右時，此時電磁炮的射程為2～3m。通過不斷試驗，最后選擇450V/1000μF 的電解電容，這種型號的電容放電速度快，且符合設計的充電電壓要求。同時線圈屬于感性元件，在電容放電結束時，線圈會產生一個電流阻礙電流的減少，此時電路中如未安裝一個續流二極管，電感產生的電流會反向流入電解電容，容易造成電容的損壞甚至爆炸。所以選擇了一個20A/1000V 的續流二極管。

圖1 電磁發射系統電路原理

2.2.2 能量的計算

通過多次試驗總結得出，當電容兩端的電壓為161V 時，使得彈丸的初速度可以滿足設計要求。電容在充電時儲存能量如式（1）所示。

在此理想情況下電容放出的能量提供彈丸的動能。電容放電時間很短，此時線圈中短時間內電流突然增大，即非常大，此時通電線圈產生很大的磁場，磁場力吸著鋼球以一個很大的初速度做斜拋運動。彈丸運動軌跡如圖2 所示。

圖2 彈丸運動軌跡

3 電路與程序設計

3.1 電路的設計

電磁炮發射電路設計如圖3 所示。

圖3 電磁炮發射電路設計

（1）手動模式：通過按鍵人工輸入標靶位置和角度，STM32F103ZET6 單片機控制云臺調整發射角度后啟動電磁發射裝置。

（2）自動模式：openmv3 攝像頭對靶標位置進行實時自動采集，并將采集到的數據傳送給STM32F103ZET6單片機，然后單片機自動控制云臺調整發射角度后啟動電磁發射裝置。

3.2 程序的設計

圖4 為電磁炮射擊瞄準系統工作流程。

圖4 電磁炮射擊瞄準系統工作流程

4 測試數據

4.1 輸入距離d 定點打靶

表1 為輸入距離d 定點打靶測試的實際距離。

表1 輸入距離d定點打靶測試的實際距離 單位：cm

表2 為輸入距離d 及偏離角度α 定點打靶測試。

4.2 輸入距離d 及偏離角度α 定點打靶

4.3 指定范圍內自動打靶

表3 為指定范圍內自動打靶測試。

表3 指定范圍內自動打靶測試

4.4 運動打靶

表4 為運動打靶測試。

表4 運動打靶測試

4.5 測試結果分析

通過對設計的各項指標進行測試，模擬電磁曲射炮能夠很好的實現輸入距離d 定點打靶、輸入距離d及偏離角度α 定點打靶、指定范圍內自動打靶等功能，基本上實現運動打靶功能，但運動打靶精度不高，存在脫靶情況。

5 結語

本設計過程中，基本實現了模擬電磁曲射炮的定點打靶、輸入距離及偏離角度定點打靶、指定范圍內自動打靶、運動打靶等功能。但是本設計的精度有待提高，特別是運動打靶功能容易脫靶，因此下一步努力方向就是通過算法及硬件優化提高系統的穩定性、準確性，特別是運動打靶的精度。