基于K60的模擬電磁發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計

袁壯　閔祥輝　李晨　權(quán)宇　姚文龍

摘要：本系統(tǒng)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(tǒng)。根據(jù)攝像頭和激光測距檢測的位置參數(shù)通過PID算法控制云臺舵機自動鎖定發(fā)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(fā)射裝置的水平、垂直角度。主控制器根據(jù)發(fā)射參數(shù)計算出電磁炮發(fā)射裝置的水平、垂直角度及對充放電電路的時間常數(shù)，控制云臺轉(zhuǎn)動及實現(xiàn)電磁炮的發(fā)射。系統(tǒng)可通過按鍵實現(xiàn)電磁炮的手動發(fā)射和自動發(fā)射兩種模式的選擇，經(jīng)測試可自動搜尋目標發(fā)射的設(shè)計指標要求。

關(guān)鍵字：MK60DN512 、電磁炮發(fā)射裝置、TOF測距、PID算法、云臺控制

1 設(shè)計方案與論證

1.1 整體設(shè)計方案描述

根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，本系統(tǒng)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(guān)系如下圖1-1所示。

本方案用K60作為主控板，采用撥碼開關(guān)的方式控制電磁炮自動和手控發(fā)射模式。撥碼開關(guān)撥到手控模式，需要手動輸入定標點到環(huán)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(diào)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(shù)顯示在LCD上。

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

1.2打靶模式描述

電磁炮發(fā)射模式有兩種，分別為人工輸入打靶數(shù)據(jù)和自動尋靶并發(fā)射。

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

自動模式為在 和 的變化范圍內(nèi)，放置環(huán)形靶，自動尋靶并發(fā)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(tǒng)處理的速度上較快，但是規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

方案2：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。但是因成本較高，高速處理優(yōu)勢得不到體現(xiàn)。

方案3：采用MK60DN512 作為系統(tǒng)的控制器。且數(shù)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(yōu)點，故本系統(tǒng)設(shè)計主控芯片選用K60。

1.4電磁曲射炮設(shè)計方案

本方案所采用的電磁炮本質(zhì)上是由若干個線圈組成的投射加速器，線圈依次開關(guān)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(wěn)定初速度;磁阻線圈炮由一系列螺線管驅(qū)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(shè)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(shè)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(xué)、電學(xué)設(shè)計，實現(xiàn)穩(wěn)定、精準、高靈敏和高速的距離測量的功能;產(chǎn)品內(nèi)置各種應(yīng)用環(huán)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(jié)合。

2理論分析與計算

2.1彈丸發(fā)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(lǐng)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(dǎo)間距， 為磁導(dǎo)率其值為： 。

由電容充電原理，得到充電電壓隨時間變化的關(guān)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(fā)熱功率也恒定不變。

2.2彈道分析

假設(shè)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(guān)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(shè)計

3.1穩(wěn)壓電路設(shè)計

3.2電磁炮驅(qū)動電路設(shè)計

電磁炮電源模塊采用2-5V供電，升壓模塊采用一體化結(jié)構(gòu)，組裝簡單、工作穩(wěn)定、充電速度快;電路中儲能電容采用超大量電容，和發(fā)射線圈相對應(yīng)，發(fā)射電壓30V，其相應(yīng)的內(nèi)部電路圖如下圖3-2所示。

4結(jié)論

基于K60的模擬電磁發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)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(xiàn)且減少了誤差。擴展了閉環(huán)自動控制系統(tǒng)的軟硬件使用范圍。實現(xiàn)了多種復(fù)雜情況的精確打靶。經(jīng)反復(fù)測試，本系統(tǒng)功能可靠穩(wěn)定，在實際應(yīng)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(xiàn)，杭州電子科技大學(xué)，2013.04.

[2]張淼.電磁炮發(fā)射過程電源系統(tǒng)電磁特性及抗干擾技術(shù)研究，南京理工大學(xué)，2012.01