基于單片機(jī)微型電磁炮模擬裝置的研究與設(shè)計(jì)

尚坡利 尉雙全 馬偉博 劉振儒 馮方宇

（1蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；2蘭州工業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

電磁炮是一種利用電磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力來(lái)對(duì)金屬炮彈進(jìn)行加速，以達(dá)到一定動(dòng)能打擊相應(yīng)目標(biāo)的裝備[1-2]。其理論基礎(chǔ)是19世紀(jì)英國(guó)著名科學(xué)家邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)的電磁感應(yīng)定律，即位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)線在通電時(shí)會(huì)受到力的推動(dòng)[3]。

與以往基于傳統(tǒng)火藥推動(dòng)的大炮相比，電磁炮具有以下特點(diǎn)：電磁推動(dòng)力大，彈丸速度高，攔截困難；彈丸穩(wěn)定性好，命中率高；發(fā)射特征少，隱蔽性好；靈活度高，可以根據(jù)目標(biāo)環(huán)境調(diào)整發(fā)射指標(biāo)；發(fā)射成本低[4-5]。本文基于相關(guān)理論基礎(chǔ)，采用STM32單片機(jī)及其他附屬裝置實(shí)現(xiàn)一款小型電磁炮模擬裝置的研究與設(shè)計(jì)方案。

1 設(shè)計(jì)方案

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)由以下幾部分模塊構(gòu)成：

控制模塊：采用STM32單片機(jī)為控制核心，完成整個(gè)系統(tǒng)的管理與控制功能。

信息采集模塊：以openmv作為目標(biāo)捕捉及測(cè)距器件，完成相關(guān)目標(biāo)的信息采集及處理工作。

顯示模塊：完成相關(guān)指標(biāo)及數(shù)據(jù)的顯示及反饋工作。

按鍵模塊：完成相關(guān)數(shù)據(jù)的輸入工作。

執(zhí)行模塊：完成模擬炮彈的發(fā)射相關(guān)工作。

系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制模塊

該系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)作為控制核心。該單片機(jī)采用內(nèi)核為ARM32 位Cortex-M3CPU，最高工作頻率72MHz，存儲(chǔ)器采用片上集成32-512KB的Flash存儲(chǔ)器及6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器。該單片機(jī)具有超低功耗，超強(qiáng)抗干擾能力。

2.2 信息采集模塊

該模塊以O(shè)penMV為核心，輔以云臺(tái)作為該模塊協(xié)動(dòng)機(jī)構(gòu)。OpenMV攝像頭是一款小巧，低功耗，低成本的可編程的攝像頭，通過(guò)其并采用MicroPython語(yǔ)言可以完成機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。云臺(tái)采用兩臺(tái)MG995舵機(jī)組合構(gòu)成，可完成2自由度工作。

2.3 顯示模塊

顯示模塊采用LCD1602液晶顯示器作為顯示器件，主要顯示目標(biāo)距離，目標(biāo)與中心軸線的偏離角度，及電磁炮工作狀態(tài)。

2.4 按鍵模塊

按鍵模塊的作用在于給電磁炮輸入目標(biāo)距離及目標(biāo)與中心軸線的偏離角度。鍵盤(pán)使用4*4矩陣鍵盤(pán)，采用行列掃描模式。

2.5 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊主要由發(fā)射模塊，逆變升壓模塊構(gòu)成。

2.5.1 發(fā)射模塊

發(fā)射模塊的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)在于炮管線圈的繞制。在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮線圈本質(zhì)是電感，具有儲(chǔ)能功能。線圈繞制方案需要根據(jù)實(shí)際需求以及所有相關(guān)設(shè)備材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)射模塊的智能控制，充放電回路均采用單片機(jī)輸出控制信號(hào)通過(guò)S8050三極管來(lái)控制繼電器實(shí)現(xiàn)?？刂谱饔迷谟?，一是保證充放電不同時(shí)進(jìn)行，二是保證電容上的充電電壓穩(wěn)定。

2.5.2 逆變升壓模塊

為了實(shí)現(xiàn)裝置的投射效果，需要賦予設(shè)備較大的能量?？梢酝ㄟ^(guò)采用直流穩(wěn)壓電源供電采用逆變升壓模塊將直流電逆變?yōu)榻涣麟姴⑸龎海⑼ㄟ^(guò)橋式整流電路整流為直流電給并聯(lián)電容充電的方式，以期達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

2.6 其它部分

直流穩(wěn)壓電源模塊：系統(tǒng)中單片機(jī)需要的工作電壓為DC12V，由直流穩(wěn)壓電源供電。舵機(jī)工作電壓為DC7.5V，采用升壓模塊給舵機(jī)進(jìn)行供電。

放電回路模塊：由于放電瞬間的沖擊電壓非常的大，沖擊電流也很高，模塊通過(guò)接觸器接通放電回路。

3 軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用了目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別打擊模式以及人工定位打擊模式，可根據(jù)實(shí)際需求改變控制方式。在目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別打擊模式下，由信息采集模塊完成目標(biāo)體的識(shí)別及測(cè)距工作，再通過(guò)云臺(tái)裝置調(diào)整炮管水平及垂直角度，以期達(dá)到對(duì)目標(biāo)物體的準(zhǔn)確打擊效果。在人工定位打擊模式下，由操作者完成距離及水平角度的設(shè)定進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)定位置的打擊。

4 測(cè)試及結(jié)論

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)電容放電電壓大小，線圈繞制匝數(shù)，線圈繞制長(zhǎng)度，炮管仰角大小，炮管材質(zhì)，球材質(zhì)，彈丸重量大小及放置位置等因素均能夠影響炮彈彈出距離。通過(guò)測(cè)試，該裝置基本可以實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的命中率，在下一步的研究中，可以對(duì)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)一步校準(zhǔn)以期達(dá)到更高的設(shè)備性能。