基于STM32的高精度電磁炮設計

江蘇師范大學物理與電子工程學院 袁 波 朱士虎

本文設計一種高精度自動化電磁炮發射裝置。以STM32單片機作為核心控制器件，應用電磁感應、光電檢測和自動控制等技術；電磁炮采用OpenMV攝像頭模塊實現對目標的鎖定與距離識別；由STM32單片機給予云臺舵機控制信號，實現炮臺水平角度和垂直仰角的自動調節；采用增量式PID算法實現快速響應、無靜差的云臺自動控制；通過控制大容量、高耐壓電解電容的自動充電、放電，實現大電容瞬態強放電，電磁線圈產生瞬態強力磁場驅動鐵球，實現鐵球的精確發射。實驗結果表明，該設計電路簡單，軟硬件結合，控制方法靈活，達到預期的設計要求。

電磁炮作為一種新型武器，是未來國防科技發展的一個方向。電磁軌道炮通過洛倫茲力加速彈丸，相較于傳統火炮依靠化學能實現發射方式，具有初速快和精確可控等優點。在未來武器的發展上，電磁炮技術具有巨大的應用價值，在軍事上起著越來越重要的作用。經過30余年的發展，電磁炮技術已獲得巨大發展。但現有的設計方案制造出的電磁炮雖然已完成了基礎功能，但距離將其轉化為實用，成為可靠的武器系統還存在諸多問題。現階段的電磁炮存在著能量損耗率高、精確度低、炮管易損等問題。當然，電磁炮不僅運用于軍事領域，在民用領域中也有廣泛應用，大量應用于實驗室、課堂教學中作為教具。通過對電磁炮的研究可對電磁感應、楞次定律等理論，有更加深刻的理解。本文旨在為實驗室、課堂教學等領域設計一種小型化，便攜式，且價格便宜的線圈式電磁炮。

1 設計任務

設計并制作線圈式電磁炮。使用直徑為1.5cm的鐵質球形炮彈，用電磁炮將炮彈射出。設計的電磁炮系統將實現以下兩個目標：

（1）設定電磁炮的發射距離發射炮彈，要求炮彈的實際發射距離與設定的距離之間誤差在2cm內。要求通過鍵盤設定具體距離，完成設定后按下啟動鍵，電磁炮自動充能并發射炮彈。

（2）將目標物放置在電磁炮前方-60°到60°，且距離在3m范圍內，電磁炮自動搜尋目標并發射炮彈擊中紅色目標物。要求不可通過按鍵調節距離及角度，按下啟動鍵后電磁炮能自動搜尋目標，并發射炮彈擊中目標，電磁炮系統如圖1所示。

2 工作原理

2.1 電磁炮原理

電磁炮是利用電磁力（洛倫茲力）沿導軌發射炮彈的武器。其原理是利用電磁的相互作用力將物體加速，隨后發射出去。電磁炮主要由能源、加速器、開關三部分組成。現階段，實驗室常用的有電容儲能式脈沖發生器、單極發電機和磁通壓縮裝置，其中單極發電機是發展潛力較大的能源裝置。加速器能夠使電磁力轉化為動能，給物體加速。開關是用來控制系統充能與發射。線圈式電磁炮是通過將電磁線圈做成中空，將鐵質小球放在線圈底部。當炮管上線圈產生感應電流，磁場與電流相互作用后推動炮彈并進行加速，最后射出并擊中目標。

圖1 電磁炮系統示意圖

2.2 增量式PID算法

PID算法是控制行業中最簡單、最經典、也是最重要的算法之一。設計和實現PID算法是完成設備自動化控制的基本要求。PID算法的中心思想是非常簡單的，就是利用反饋來檢測實際參量與目標參量的偏差，并通過比例、積分、微分三個環節合成控制量，實現系統的自動化控制。而增量式PID是PID算法中的一種，它通過對控制量的增量進行PID運算的方法。相比于其他PID算法，增量式PID算法具有很高的穩定性，即便偶爾有誤差或精度不足時，仍能保持正常運轉。

3 設計方案選擇

3.1 控制處理器方案

STM32F407采用Cortex-M4內核，現為目前最主流的單片機之一。它的時鐘頻率可達到168MHZ，芯片擁有多個定時器、串口等外設；可對系統實現精準、快速的控制。且有大量資料提供參考學習，所以采用STM32F407作為系統的主控芯片對系統進行控制。

OpenMV攝像頭模塊可以實現彩色識別功能，模塊集成了ST公司目前較高級的處理器芯片STM32H7。在IDE平臺使用Python語言編寫代碼，實現調用底層的圖像處理算法及AI算法，采用串口通信將目標位置信息傳送給控制處理器。OpenMV攝像頭模塊圖像數據處理和存儲都在模塊集成的芯片上實現，不占用主控芯片的運算及存儲資源，極大地節省了主控芯片的工作量，且OpenMV內置測距程序，可快速測出與目標物的距離。

3.2 發射能量存儲釋放方案

電磁炮要實現炮彈的發射，就必須設計相應電路，實現能量的存儲以及能量的瞬間釋放。能量的存儲速度越快，炮彈發射的準備時間越短；釋放的能量越大，炮彈發射的距離越遠。電解電容的充放電速度是各種類電容中較好的，所以采用電解電容作為能量容器。當前教學用電磁炮對發射能量的控制，僅僅只是對充電時間進行控制，并不能完全準確地控制能量的存儲量，精度也不太高。本文設計中采用對電容電壓進行準確采樣，來控制炮彈的發射距離。這種方法不僅準確控制炮彈的發射距離、提高了射擊精度，而且，還能夠防止僅僅只控制充電時間，而導致充電不足或過度充電引發意外狀況的出現。

設計一硬件電路實現將直流電轉換為交流電，再經過變壓器升壓后對一個8800UF 450V的大容量高壓電解電容進行充電。采用STM32的12位ADC轉換功能采集充電時電容兩端電壓值，由單片機設置并控制電容充放電，實現發射動能的存儲控制。用一組線圈纏繞在炮管底部，在線圈稍低處裝入鐵球作為炮彈。當電容能量充滿且滿足開炮條件時，設計的開關電路將使電容對線圈進行一次大電流的快速放電，使線圈產生瞬時強磁場。磁場將炮彈向線圈中心吸引，由于放電電流只持續一瞬間，炮彈的吸引力很快就會消失。產生的動能將會帶動小球射出炮口做出斜拋運動，從而實現炮彈的發射。

3.3 電磁炮自動搜尋鎖定目標控制方案

電磁炮能自動擊中目標的關鍵在于能夠快速搜尋并鎖定目標物，從啟動到搜尋到目標的時間越短越好，鎖定目標的精度越高越好。將炮臺置于可水平且垂直轉動的云臺上，配以OpenMV作為尋找目標的重要傳感器，OpenMV中心與電磁炮炮管處于同一垂直線上。使用閉環控制，將目標物的特征輸入到程序中。若在攝像頭可探測的范圍內無目標物，則將無目標信號反饋給單片機。單片機再將相關信號傳送給云臺，云臺則按預設方向繼續轉動；若目標進入探測范圍，OpenMV則發送具體坐標給單片機，直至目標物到達坐標中心點。使用增量式PID算法作為云臺控制量,與開環控制相比，更加精確快速，增量式PID算法公式為：

將攝像頭捕捉到的圖像水平分為180個像素點，由左向右按照0-159排列，由上向下以0-119排列。若目標物出現在圖像上，則將物體的位置以坐標（x, y）的形式傳輸給單片機。將此坐標與中心坐標的偏差值作為反饋量代入增量式PID算法公式，即為e[n]，而上一次偏差值為e[n-1]，且在前一次的偏差值為e[n-2]，根據實際情況調整kp、ki、kd完善具體算法。因此，能夠快速且精確地捕捉到目標的具體位置。當鎖定目標后由MPU6050傳感器測出目標的角度，利用OpenMV測出與目標的距離，將相關數據傳輸給系統進行比對，快速進行參數修正，使電磁炮射擊更加準確穩定。

4 系統電路設計

4.1 電路總體設計框圖

電磁炮系統電路設計，以STM32單片機為核心，輔以用戶鍵盤、MPU6050、OpenMV和舵機云臺，外加全橋逆變升壓、炮彈充能發射和電容電壓反饋電路，系統總體設計如圖2所示。

圖2 系統總體框圖

4.2 全橋逆變升壓電路

IR2104是半橋驅動器，當SD=1時，即允許使能IR2104，當HO腳的輸出波形與IN腳的輸入波形相同時，LO腳的輸出波形與IN腳的輸入波形則相反。如若IN輸入高電平，則HO輸出高電平，LO輸出低電平，可以輸出一組相反信號來驅動兩個MOS管。單片機給出一組呈周期變化的相反信號分別輸入兩個IR2104，故對角的兩個MOS管會同時導通而另一組對角MOS管則不通，以此往復變化則會在輸出端得到連續的交流電。因此，全橋逆變升壓電路能將12伏的直流輸入電壓進行全橋逆變后升壓到220伏。再將220伏的交流電進行整流濾波，給電解電容充電。全橋逆變電路如圖3所示。

4.3 炮彈充能發射電路

全橋逆變輸出的交流電經由5:200的變壓器升壓，再經橋式整流濾波，變方波交流電為脈沖直流電，給大電容充電。由于電壓高、功率大故選用IGBT來控制電容的充放電，因為IGBT驅動功率小而飽和壓降低；由于IGBT的驅動電壓較大，單片機引腳無法有效驅動，故采用一繼電器來幫助單片機控制IGBT的開關。當大電容達到預設電壓值時，由單片機輸出控制信號，啟動IGBT開關，大電容迅速放電為線圈充能使之能夠發射炮彈。電容充能電路如圖4所示。

4.4 電容電壓反饋電路

TIL11光耦能將電信號轉為光信號，再次轉為電信號。將大電容兩端電壓進行分壓后串聯一個電阻將電壓信號轉變為電流信號。為防止電流過大燒壞單片機引腳，于是使用TIL117將電流信號隔離并使之工作在線性區。因輸出信號電壓較小，輸出信號經過LM358同相比例放大，再傳給單片機ADC進行采樣，從而實現充電反饋。最后將反饋的電壓傳輸給控制系統，以此控制炮彈的發射距離。電壓反饋電路如圖5所示。

圖3 全橋逆變電路

圖4 電容充能電路

圖5 電壓反饋電路

5 系統軟件設計

5.1 程序設計思路

（1）采用TFT液晶屏顯示電磁炮的相關數據，包括電磁炮發射模式選擇、炮彈發射距離、電容電壓反饋電壓，以及電磁炮炮管當前的角度，OpenMV攝像頭的搜尋狀態，目標的跟蹤測量距離等。

（2）電磁炮的發射模式，炮彈發射的距離通過矩陣鍵盤輸入。

（3）電磁炮的射擊距離，與電容的充電電壓值有關，具體距離大小與電容電壓反饋電路的電壓值一一對應。按下啟動鍵，電容開始充能，達到預設的電壓值以后，電磁炮充能結束，就可以發射炮彈。

（4）自動搜尋目標則利用OpenMV攝像頭識別彩色圖像獲取標識在鏡頭中的相對坐標，若目標不在鏡頭的正中，則調節炮管的角度，一直到炮管完全指向目標為止。為了快速且準確的命中目標，此過程運用增量式PID算法，調節炮管角度，形成閉環系統，大大增加系統的穩定性。

5.2 程序設計流程圖

基于以上的程序設計思路，依照圖6所示的流程圖，在MDK平臺使用C語言對STM32單片機進行具體的程序編寫實現設定功能。

圖6 程序流程圖

6 系統調試

6.1 發射精度測試

通過使用STM32單片機系統控制，在保持相同電壓前提下，多次發射電磁炮，測量炮彈射擊距離。經過多次試驗，記錄測試數據，可見炮彈發射距離誤差能夠控制在1cm以內，達到預期目標。表1所示為仰角為30°時，設定目標距離與實際發射距離的對比數據。

表1 目標距離與實際距離對應表

6.2 發射角度測試

將目標物放在電磁炮前方-60°到+60°角度范圍內的任意地點，讓電磁炮自動搜尋目標，并發射炮彈射擊。經過多次測試，炮彈的射擊角度誤差為2°、距離誤差2cm。可見通過相關傳感器與增量式PID的結合，大大提高了系統搜尋目標的準度與精度，具體測試數據如表2所示。

表2 不同角度與距離對應表

6.3 測試結果與誤差分析

通過對比以上表格數據，結合電磁炮的整體操作、發射穩定性進行綜合評定，設計的電磁炮已滿足預定設計目標。但是，為了進一步提高電磁炮射擊精度，對誤差產生的可能原因進行了分析：首先，由于是手工纏繞電磁炮線圈，線圈密度不夠均勻；其次，使用了塑料管作為炮管，摩擦阻力較大，當搜尋射擊目標時，會出現角度的偏差，控制炮管角度的增量式PID算法的值并沒有達到最優解；最后，還發現當電磁炮充能射擊以后，電磁炮線圈會有不同程度的發熱現象，在連續射擊多次，線圈的溫度上升到一定程度后，發射精度會有較大影響，待線圈溫度冷卻以后，射擊精度又會再次向好。就誤差產生的可能原因，擬進行如下的改進措施：改進線圈繞制工藝，改善線圈的電磁性能；擬采用塑鋼等材料制作炮管，改進炮管連接方式，減小跟蹤角度偏差；加設風扇，做好電磁炮線圈的排風降溫工作，改善線圈工作環境。當然，改進后效果如何，還有待于實踐的進一步檢驗和驗證。

現階段電磁軌道炮制導控制技術存在許多重大科學問題，關鍵技術面臨巨大挑戰。相信隨著對電磁炮技術的不斷研究與突破，必將對現代武器發展產生顛覆性作用。本文設計的基于STM32的高精度電磁炮系統，經過電路調整和軟件優化，多次實驗測試表明，在一定距離內射擊誤差能夠控制在2cm以內，達到了預期設計目標。但是在遠距離射擊情況下，誤差會有所增大。接下來的改進目標，提高目標跟蹤速度，力爭在遠距離射擊情況下也能將誤差減小到合適范圍，本設計對電磁炮技術進行了有益嘗試，希望能對未來產生應用價值。