基于STM32 的模擬電磁炮實(shí)驗(yàn)裝置研究與實(shí)現(xiàn)

朱俊杰，繆文南

（廣州城市理工學(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東廣州 510800）

隨著科技的快速發(fā)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(lái)越多的關(guān)注[1-3]。傳統(tǒng)的發(fā)射炮因?yàn)槌杀尽⒕取⒎€(wěn)定性等問(wèn)題，難以適應(yīng)軍事武器的發(fā)展，而利用電磁技術(shù)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(yōu)點(diǎn)[4-6]。近年來(lái)，越來(lái)越多學(xué)者對(duì)電磁炮進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，文獻(xiàn)[7]提出了電磁炮高速?gòu)椝幪艃?nèi)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的研究，利用軌道炮的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)性能分析進(jìn)行仿真，分析彈藥的速度和射擊距離。文獻(xiàn)[8]對(duì)三級(jí)電磁炮的研究與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電磁炮遠(yuǎn)距離的射擊。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一款電磁曲射炮裝置，使用云臺(tái)建立彈丸的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算位移。大部分的研究文獻(xiàn)主要對(duì)電磁炮的發(fā)射裝置進(jìn)行了研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)電磁炮發(fā)射的自動(dòng)控制和射擊精度的性能研究文獻(xiàn)較少。因此，該文設(shè)計(jì)了一種新型的模擬電磁炮系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載了云臺(tái)、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(zhǔn)目標(biāo)的角度，通過(guò)PID 算法實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)轉(zhuǎn)向及電磁炮射擊裝置的閉環(huán)控制，研制的模擬電磁炮具有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式尋靶功能。測(cè)試結(jié)果表明，模擬電磁炮打靶具有較高的精度和穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為新型電磁炮的研究和設(shè)計(jì)提供了新的思路。

1 系統(tǒng)方案整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，可選擇手動(dòng)尋靶模式和自動(dòng)尋靶模式。電磁炮裝置放在距離紅色引導(dǎo)標(biāo)志目標(biāo)230～330 cm 處，固定云臺(tái)的發(fā)射仰角，建立子彈斜拋運(yùn)動(dòng)模型，以便計(jì)算子彈初速度和偏航角。通過(guò)手動(dòng)輸入目標(biāo)距離或者使用openmv圖像識(shí)別模塊搜尋目標(biāo)并計(jì)算目標(biāo)距離，然后調(diào)整云臺(tái)偏航角，控制模擬電磁炮超級(jí)電容充放電時(shí)間，根據(jù)引導(dǎo)靶射擊地面上的環(huán)形靶。系統(tǒng)的整體示意圖如圖1 所示。

系統(tǒng)包含STM32F103 微處理器的主控系統(tǒng)、電磁曲射炮、兩軸舵機(jī)云臺(tái)、角度測(cè)量模塊、圖像識(shí)別模塊、電源管理模塊、觸摸屏人機(jī)交互界面七部分。系統(tǒng)硬件框圖如圖2 所示。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，電磁曲射炮主要由舵機(jī)云臺(tái)、炮筒、線圈、超級(jí)電容組成，炮筒正對(duì)向下安裝攝像頭，用于前方目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤、測(cè)距功能，其效果圖與實(shí)物圖如圖3 所示。

1.2 主控系統(tǒng)與云臺(tái)

系統(tǒng)采用STM32F103 微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)，為整套系統(tǒng)提供運(yùn)算處理能力，實(shí)現(xiàn)電磁炮對(duì)目標(biāo)靶的識(shí)別與精準(zhǔn)射擊。控制過(guò)程主要包括云臺(tái)角度控制、電磁炮發(fā)射控制、數(shù)據(jù)軟件過(guò)濾、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤等。

云臺(tái)由兩軸舵機(jī)組成，形成二自由度控制系統(tǒng)，控制炮筒的俯仰角和偏航角，實(shí)現(xiàn)水平方向和俯仰方向的調(diào)整[10-11]。舵機(jī)采用RP8-S41 數(shù)字舵機(jī)，該舵機(jī)采用多路串行的全新架構(gòu)，舵機(jī)可直接實(shí)現(xiàn)ID 的自動(dòng)分配，反應(yīng)速度可達(dá)到0.098 s/60°，有效角度為270°，扭矩達(dá)到45 kg/cm，主控系統(tǒng)通過(guò)輸入角度直接控制云臺(tái)偏航角和俯仰角。云臺(tái)安裝BNO055型號(hào)9 軸角度測(cè)量傳感器，利用PID 算法對(duì)舵機(jī)進(jìn)行閉環(huán)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(shí)，云臺(tái)俯仰角和偏航角回歸至中心點(diǎn)。

1.3 電磁曲射炮線圈管設(shè)計(jì)

電磁炮又稱為“同軸發(fā)射器”，其中，單級(jí)感應(yīng)線圈炮一般由儲(chǔ)能電源（如電容器組）、驅(qū)動(dòng)線圈、發(fā)射組件（包括電樞和彈丸）和觸發(fā)開(kāi)關(guān)等硬件組成[12]。電磁炮感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)需要考慮的參數(shù)眾多，主要包括驅(qū)動(dòng)線圈匝數(shù)、磁導(dǎo)率、驅(qū)動(dòng)線圈、銅線直徑、電容值、電壓值、電樞觸發(fā)位置等重要參數(shù)[13]，設(shè)計(jì)難度較大，于是選擇線圈模擬器進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。在仿真器上輸入原始數(shù)據(jù)，LCR 仿真數(shù)據(jù)欄中輸入電容耐壓值和電容值，通過(guò)計(jì)算分析得出各項(xiàng)參數(shù)，LCR 仿真圖及數(shù)據(jù)如圖4 所示。

系統(tǒng)選擇的彈體為直徑25 mm 的鐵球，炮管長(zhǎng)120 mm，初始位置為-30 mm，初始速度為0 m/s，根據(jù)仿真得出數(shù)據(jù)，可獲得發(fā)射子彈的瞬時(shí)速度、能耗、效率等數(shù)據(jù)。然后系統(tǒng)鎖定云臺(tái)仰角，結(jié)合電容充放電時(shí)間獲取瞬間電壓，此時(shí)感應(yīng)線圈管的瞬間電壓控制子彈的速度和距離。設(shè)計(jì)電路時(shí)，選擇額定電壓為470 V，超級(jí)電容C為1 000 μF，電容充放電計(jì)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(shí)刻t電容上的電壓值。由上式可得，計(jì)算初始電壓為E的電容C通過(guò)R放電所需的時(shí)間。

1.4 電磁炮充放電電路設(shè)計(jì)

電磁炮充放電電路對(duì)電磁炮發(fā)射起到非常重要的作用，設(shè)計(jì)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(jí)電容組成。利用繼電器和可控硅實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對(duì)充電電路的控制，通過(guò)電路測(cè)試可知，該電路充放電可控性強(qiáng)、性能穩(wěn)定且具有良好的抗干擾性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體流程設(shè)計(jì)

該裝置總體軟件流程圖如圖6 所示。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行初始化，用戶可選擇自動(dòng)瞄準(zhǔn)和手動(dòng)控制兩種模式。當(dāng)選擇手動(dòng)控制時(shí)，用戶輸入目標(biāo)點(diǎn)距離和靶心中心軸線上的偏航角，首先根據(jù)建立的子彈運(yùn)動(dòng)模型計(jì)算電磁炮射程；然后主控器調(diào)整云臺(tái)姿態(tài)獲取偏航角；最后啟動(dòng)對(duì)電容進(jìn)行充電，根據(jù)充電時(shí)間閉合繼電器、發(fā)射子彈。

當(dāng)用戶選擇自動(dòng)瞄準(zhǔn)模式時(shí)，主控器控制openmv從-45°～+45°進(jìn)行掃描，當(dāng)識(shí)別目標(biāo)靶后，云臺(tái)調(diào)整電磁炮的俯仰角，讓電磁炮與目標(biāo)靶取向在同一軸線上，測(cè)量電磁炮與環(huán)形靶中心點(diǎn)的距離。然后主控器將距離和云臺(tái)偏航角輸入子彈運(yùn)動(dòng)模型，啟動(dòng)超級(jí)電容進(jìn)行充電，根據(jù)充電時(shí)間閉合繼電器、發(fā)射子彈。

2.2 子彈運(yùn)動(dòng)模型分析

子彈發(fā)射運(yùn)動(dòng)軌跡為斜上拋運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線，根據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)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(dāng)線圈管與地面水平時(shí)，出口位置即為最高點(diǎn)，假設(shè)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(yùn)動(dòng)方程計(jì)算可得：

當(dāng)子彈做斜拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，忽略子彈在炮管與槍管內(nèi)壁的摩擦力等因素，假設(shè)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(jì)算出口的速度Vout，通過(guò)力學(xué)分析得，在t時(shí)刻，VX=Voutcosθ，VY=Voutsinθ-gt，由拋物線運(yùn)動(dòng)方程可得：

2.3 openmv目標(biāo)靶識(shí)別與測(cè)距

openmv 攝像頭是一款小巧、低功耗、開(kāi)源、低成本的機(jī)器視覺(jué)傳感器，系統(tǒng)采用openmv 模塊實(shí)現(xiàn)圖像處理、圖像分析與處理、目標(biāo)定位等功能[15-16]。為減少環(huán)境因素的干擾，打開(kāi)照明進(jìn)行補(bǔ)光，其工作流程如圖8 所示。

同時(shí)利用該裝置基于openmv 傳感器進(jìn)行單目測(cè)距，根據(jù)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(guò)光學(xué)原理測(cè)定障礙物的距離，即攝像頭與引導(dǎo)目標(biāo)靶的距離[17-18]。單目視覺(jué)測(cè)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(dǎo)目標(biāo)靶）的實(shí)際值，由幾何公式推導(dǎo)可得測(cè)距為：

2.4 電磁炮發(fā)射流程

電磁炮發(fā)射首先將電磁炮發(fā)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(dāng)充電到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)繼電器1，對(duì)電容組充電。當(dāng)電磁炮瞄準(zhǔn)目標(biāo)或確定目標(biāo)距離時(shí)，微處理器啟動(dòng)繼電器2 打開(kāi)晶閘管，電容組為電磁炮感應(yīng)線圈供電，發(fā)射子彈[19-20]。電磁炮發(fā)射裝置控制流程如圖10 所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試分析

系統(tǒng)測(cè)試分為手動(dòng)控制模式和自動(dòng)模式，環(huán)形靶放置離實(shí)驗(yàn)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(cè)試系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。在手動(dòng)模式下，不斷改變目標(biāo)靶與實(shí)驗(yàn)裝置的距離和偏航角，每個(gè)輸入?yún)?shù)測(cè)量10 組數(shù)據(jù)，記錄落點(diǎn)的位置，統(tǒng)計(jì)平均誤差，得到數(shù)據(jù)如表1 所示。在自動(dòng)模式下，不斷改變靶心的距離值和靶心偏航角，每個(gè)輸入?yún)?shù)值測(cè)量10 組數(shù)據(jù)，測(cè)量并記錄落點(diǎn)位置的同時(shí)，記錄目標(biāo)靶跟蹤的時(shí)間，統(tǒng)計(jì)平均誤差和跟蹤時(shí)間的平均時(shí)間，得到的數(shù)據(jù)如表2 所示。

從表1 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，手動(dòng)模式的平均誤差約為1.41 cm，精準(zhǔn)度較高，穩(wěn)定性強(qiáng)。在自動(dòng)瞄準(zhǔn)模式下，目標(biāo)距離的選擇有200 cm、230 cm、270 cm、300 cm，距離在相同值下，目標(biāo)值從-45°開(kāi)始到45°，每次增加30°，記錄并計(jì)算落點(diǎn)的平均誤差和跟蹤時(shí)間，從表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)模式的平均環(huán)數(shù)為8.66 環(huán)，平均誤差為1.34 環(huán)，平均跟蹤環(huán)數(shù)為8.60 環(huán)。從表1、表2 分析得知，該系統(tǒng)的射擊精準(zhǔn)度高、穩(wěn)定性強(qiáng)，自動(dòng)跟蹤性能良好，具有較好的魯棒性。

表1 手動(dòng)模式測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

表2 自動(dòng)模式測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表

4 結(jié)論

該文研究了電磁炮系統(tǒng)總體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建立了子彈發(fā)射模型、以運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體所受洛倫茲力為基礎(chǔ)，按照電磁炮的最大有效射程及最大設(shè)計(jì)射速為依據(jù)，計(jì)算設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電容、線圈，控制充放電電流及充放電時(shí)間，充分利用openmv 識(shí)別與測(cè)距方面的優(yōu)勢(shì)，并將其嵌入到STM32F103 微處理器中，實(shí)現(xiàn)了云臺(tái)角度控制、電磁炮發(fā)射控制、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤等功能。經(jīng)設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試，采用手動(dòng)、自動(dòng)兩種模式分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其中手動(dòng)模式整體的平均誤差約為1.41 cm、自動(dòng)模式下的平均環(huán)數(shù)為8.66環(huán)，平均跟蹤環(huán)數(shù)為8.60 環(huán)。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速對(duì)引導(dǎo)靶物體進(jìn)行跟蹤并測(cè)量出兩者之間的距離，調(diào)整云臺(tái)的偏航角控制射擊裝置，利用儲(chǔ)能電容充放電實(shí)現(xiàn)電磁炮自主打靶，具有較高的射擊精準(zhǔn)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(shè)計(jì)方法和思路。