基于K60的模擬電磁發射系統的設計

袁壯　閔祥輝　李晨　權宇　姚文龍

摘要：本系統采用MK60DN512 作為主控芯片，與磁阻式電磁炮、云臺、TOF激光測距、OPEN MV攝像頭、LCD液晶顯示屏等組成的尋靶測距控制系統。根據攝像頭和激光測距檢測的位置參數通過PID算法控制云臺舵機自動鎖定發射目標，同時通過輸出可控的PWM信號給云臺舵機，來控制自動巡跡目標的定位和發射裝置的水平、垂直角度。主控制器根據發射參數計算出電磁炮發射裝置的水平、垂直角度及對充放電電路的時間常數，控制云臺轉動及實現電磁炮的發射。系統可通過按鍵實現電磁炮的手動發射和自動發射兩種模式的選擇，經測試可自動搜尋目標發射的設計指標要求。

關鍵字：MK60DN512 、電磁炮發射裝置、TOF測距、PID算法、云臺控制

1 設計方案與論證

1.1 整體設計方案描述

根據設計任務的要求，本系統包括云臺控制模塊、電磁炮控制模塊、尋靶模塊、測距模塊等。其模塊之間的關系如下圖1-1所示。

本方案用K60作為主控板，采用撥碼開關的方式控制電磁炮自動和手控發射模式。撥碼開關撥到手控模式，需要手動輸入定標點到環形靶心距離 ，豎直、水平方向偏離角度 ，通過主控器控制OPEN MV攝像頭和TOF激光尋靶、定點，找準位置，進而調整云臺、炮管角度，電子陀螺儀檢測云臺的偏移角度θ（水平、豎直），蜂鳴器報警提醒瞄準定位成功，通過繼電器完成自動完成充放電，全部參數顯示在LCD上。

撥碼開關撥到自動模式，主控器自動控制攝像頭和激光尋靶，后續程序和手控模式一樣【1】。

1.2打靶模式描述

電磁炮發射模式有兩種，分別為人工輸入打靶數據和自動尋靶并發射。

人工輸入打靶數據，可以通過鍵盤輸入電磁炮定標點到環形靶的距離為 ，環形靶心與中心軸線的偏離角度 ，在一個規定弧線上任意放置環形靶，一鍵啟動，電磁炮能夠自動尋靶并發射彈丸;

自動模式為在 和 的變化范圍內，放置環形靶，自動尋靶并發射電磁炮【2】。

1.3主控制器的選擇方案

方案1：采用可編程邏輯器件CPLD，具有并行輸入輸出方式。它在系統處理的速度上較快，但是規模大、結構復雜。

方案2：采用FPGA作為系統的控制器。FPGA可以實現各種復雜的邏輯功能，規模大，密度高。但是因成本較高，高速處理優勢得不到體現。

方案3：采用MK60DN512 作為系統的控制器。且數字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強;電感隔離，有效的抗干擾能力強等優點，故本系統設計主控芯片選用K60。

1.4電磁曲射炮設計方案

本方案所采用的電磁炮本質上是由若干個線圈組成的投射加速器，線圈依次開關以確保拋射物得到磁場的充分加速，以同步線性馬達的方式將磁性拋射物加速到的題目所需要的穩定初速度;磁阻線圈炮由一系列螺線管驅動線圈和鐵磁材料的磁軛鐵芯組成，且利用線圈的鐵磁磁路的磁阻變化吸引鐵芯運動來加速鐵芯彈丸的【3】。

1.5尋靶、測距設計方案

方案一：攝像頭方案選擇OPEN MV攝像頭捕捉標識靶的圖像，采集標識靶的位置信息，傳送給主控器。OPEN MV在設計過程中考慮了功耗問題，它可以使用一個3.7V的鋰電池供電，消耗電流僅140mA。

方案二：激光方案選擇TFmini基于TOF（飛行時間），采用850nm紅外光源，配合獨特的光學、電學設計，實現穩定、精準、高靈敏和高速的距離測量的功能;產品內置各種應用環境的適配算法，器件具有低成本和小體積的特點【4】。

最終方案：為了增加尋靶并測距的準確性，我們采用OPEN MV攝像頭和TOF激光測距兩方案相結合。

2理論分析與計算

2.1彈丸發射控制原理

理論上恒定磁場對彈丸進行加速，要求以磁場中心為參考系，磁場的各種屬性（強度、空間分布）恒定不變，且磁場與彈丸保持相對靜止，磁場中心始終領先彈丸一段固定的距離，其磁場計算方法如下：

為電樞在軌道運動時距離炮尾的距離; 為導間距， 為磁導率其值為： 。

由電容充電原理，得到充電電壓隨時間變化的關系為：

為極限電壓， 為電路電阻， 電路中的電容，其彈丸在電場中有如下公式：

由于磁場的各種屬性恒定不變且與彈丸相對靜止。所以彈丸受電磁力也恒定，磁場強度不變時，線圈的發熱功率也恒定不變。

2.2彈道分析

假設彈丸與地面的夾角為θ，以v_0初速度射出，其云臺高度為 ，其彈丸在空中運動距離為如下關系：

其初速度不變改變仰角改變上升時間，從而控制水平距離的長短【5-7】。

3硬件電路設計

3.1穩壓電路設計

3.2電磁炮驅動電路設計

電磁炮電源模塊采用2-5V供電，升壓模塊采用一體化結構，組裝簡單、工作穩定、充電速度快;電路中儲能電容采用超大量電容，和發射線圈相對應，發射電壓30V，其相應的內部電路圖如下圖3-2所示。

4結論

基于K60的模擬電磁發射系統的設計在尋靶測距功能上運用了攝像頭和激光兩個裝置相校準，確保功能的實現且減少了誤差。擴展了閉環自動控制系統的軟硬件使用范圍。實現了多種復雜情況的精確打靶。經反復測試，本系統功能可靠穩定，在實際應用方面有這良好的前景。

參考文獻：

[1]張睿.基于K60單片機的智能車控制算法的仿真與實現，杭州電子科技大學，2013.04.

[2]張淼.電磁炮發射過程電源系統電磁特性及抗干擾技術研究，南京理工大學，2012.01