基于STM32F4的模擬電磁曲射炮研究

周靜

（西北民族大學(xué)，甘肅蘭州，730030）

0 引言

電磁炮是當(dāng)代一種極具殺傷力的武器系統(tǒng)，是利用電磁感應(yīng)原理及拋物原理所構(gòu)成的實(shí)體，隨著電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們希望電磁炮擁有更強(qiáng)的打擊力度、更精確的射擊目標(biāo)定位和更短的攻擊時(shí)間。本系統(tǒng)將傳統(tǒng)電磁炮與現(xiàn)代控制系統(tǒng)相結(jié)合構(gòu)成模擬電磁曲射炮，來進(jìn)一步提高電磁炮的響應(yīng)速度和攻擊能力。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)供電采用12V的格式電池，經(jīng)多路穩(wěn)壓將合適的電源輸送至各個(gè)模塊，外部控制由4×4的矩陣鍵盤完成，各個(gè)模塊的執(zhí)行情況均會(huì)在OLED顯示模塊中體現(xiàn)出。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.2 技術(shù)路線

本系統(tǒng)技術(shù)方面分為兩部分，一部分由單片機(jī)、舵機(jī)、鍵盤實(shí)現(xiàn)外部控制，人為計(jì)算出所要打擊的位置，另一部分由單片機(jī)、舵機(jī)、攝像頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，由單片機(jī)采集攝像頭圖像自動(dòng)分析出所要打擊的位置，并且自動(dòng)炮擊。系統(tǒng)技術(shù)路線圖如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

1.3 方案選擇

1.3.1 控制器模塊方案選擇

方案一：采用STM32F407ZGT6為系統(tǒng)的控制器。該控制器擁有ARM Cortex-M內(nèi)核，具有一流的外設(shè)，以及在芯片上集成32-512kb的閃存， 6-64KB的SRAM存儲(chǔ)器，2.0-3.6V的電源供電和I/O接口的驅(qū)動(dòng)電壓。最多高達(dá)112個(gè)的快速I/O端口、最多多達(dá)13個(gè)通信接口、最多多達(dá)11個(gè)定時(shí)器；STM32由于有各種外設(shè)操作起來簡(jiǎn)單，可以處理模擬以及數(shù)字信號(hào)。

方案二：采用STM32H743VIT6為系統(tǒng)的控制器。OpenMV基于STM32F407ZGT627CPU，集成了OV7725攝像頭芯片。用于OpenMV的 STM32H743VIT6具有豐富的硬件資源。但是由于我們完成的部分，需要用芯片控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而控制炮口的發(fā)射方向，如果直接使用OpenMV的芯片來實(shí)現(xiàn)此功能，則難度過大，且實(shí)現(xiàn)度較低。

方案三：采用STC89C51單片機(jī)為系統(tǒng)的控制器。51單片機(jī)是當(dāng)前社會(huì)相關(guān)行業(yè)所最廣泛使用的。不但能夠?qū)瑑?nèi)某個(gè)特定功能寄存器加以管理,還能實(shí)現(xiàn)位的邏輯計(jì)算。但是對(duì)于我們制作的這套系統(tǒng)來說,用51有很大的缺陷,AD、EEPROM等功能需要靠擴(kuò)充,增加了硬件和軟件負(fù)擔(dān)；雖然I/O腳使用簡(jiǎn)單，但高電平時(shí)無輸出能力；運(yùn)行速度太慢，尤其是雙數(shù)據(jù)指針；51單片機(jī)保護(hù)能力很差，容易導(dǎo)致芯片燒毀。

以三者來看，方案一更適合用于我們?cè)O(shè)計(jì)的模擬電磁曲射炮控制電路，該芯片可以很穩(wěn)定的將控制板和舵機(jī)相結(jié)合，和攝像頭結(jié)合，并且實(shí)現(xiàn)我們需要的功能。

1.3.2 電磁炮方案選擇

方案一：線圈炮

線圈炮又稱交流同軸線圈炮，早起的電磁炮即是由加速線圈及彈丸線圈所構(gòu)成的。它所基于的原理是帶點(diǎn)線圈間磁場(chǎng)相互作用。將加速線圈固定在線圈炮的炮管內(nèi)部，之后給線圈通入直流電，其會(huì)形成變化的電磁，可以在線圈包裹的炮管內(nèi)部形成反電壓。因而退動(dòng)線圈電壓的磁性與反應(yīng)電壓的磁性相互影響,形成洛侖茲力,可以使導(dǎo)磁的彈丸被洛倫茲力帶動(dòng)而發(fā)射出去。

方案二：軌道炮

鋼軌炮的原理是運(yùn)用兩個(gè)鋼軌電流間相互作用的安培力把炮彈發(fā)送過去。其由兩個(gè)相互平行的長直導(dǎo)軌構(gòu)成,導(dǎo)軌間安放一個(gè)質(zhì)量較小的滑塊當(dāng)作炮彈。之后給兩軌接通電源,電壓將從一個(gè)軌道流入，經(jīng)過滑塊之后通過另一個(gè)導(dǎo)軌流回，進(jìn)而在該回路形成強(qiáng)磁場(chǎng)，由于滑塊不是固定在鋼軌上的，收到該回路安培力的作用下，會(huì)以很大的速度射出。

以上兩個(gè)方案，方案一更加能夠?qū)崿F(xiàn)的我們的系統(tǒng)，制作方便，操作安全簡(jiǎn)便。

1.4 器件選型

SPTS410LV舵機(jī)、OLED顯示屏、STM32F407ZGT627開發(fā)板、電池、漆包線、按鍵模塊、繼電器、穩(wěn)壓模塊、升壓模塊、超級(jí)電容、可控硅、二極管。

2 理論分析與計(jì)算

2.1 電磁炮參數(shù)計(jì)算

電磁炮加速跑彈的原理是，在磁場(chǎng)中，載流導(dǎo)體或者運(yùn)動(dòng)電荷會(huì)引起電磁力（即洛倫茲力）效應(yīng)。

電磁場(chǎng)中，磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

其中：μ0為真空磁導(dǎo)率常數(shù)，值為μ0=4π× 10-7N·A-2，n為線圈的匝數(shù)，I為流過線圈的電流。因此彈丸在線圈中受到的電磁力：

2.2 彈道分析

因?yàn)榭諝庾枇r=-kv，由牛頓第二定律的分量式，可知：

則：

對(duì)上兩式分別計(jì)算，并考慮起始條件，t=0時(shí)：

得：

由于dx=vxdt，dy=vydt，將上兩式代入后取積分，得：

最終可得拋物體的軌跡方程為：

2.3 能量計(jì)算

已知電容儲(chǔ)存能量 E_1=1/2 CU2，電磁炮炮彈所具有的能量（動(dòng)能）為E_2=1/2 mv2，則電磁炮的能量轉(zhuǎn)換效率為η=E_2/E_1。

3 電路與程序設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 電磁炮電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)電路采用20V升壓模塊對(duì)12V電源進(jìn)行升壓，以滿足電磁線圈的磁力要求，而升壓電路的開斷由可控硅及繼電器進(jìn)行控制。電磁炮電路如圖3所示。

圖3 電磁炮電路

3.1.2 升壓模塊電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)升壓模塊采用模擬電子技術(shù)原理，采用電阻、電容、電感、三極管等原件，構(gòu)成多組運(yùn)算放大電路，對(duì)電源進(jìn)行升壓。升壓模塊電路如圖4所示。

圖4 升壓模塊電路

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，在單片機(jī)初始化之后，會(huì)等待外部鍵盤輸入?yún)?shù)，并且將單片機(jī)接收參數(shù)之后進(jìn)入的工作模式通過OLED進(jìn)行顯示，之后單片機(jī)向IO發(fā)送PWM信號(hào)，使舵機(jī)位置根據(jù)輸入?yún)?shù)進(jìn)行調(diào)整，繼而發(fā)送炮彈，在完成發(fā)射之后，單片機(jī)控制舵機(jī)復(fù)位，等待下一次參數(shù)的輸入。本模擬電磁曲射炮的程序流程圖如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 測(cè)試方法

4.1.1 電磁炮發(fā)射功能測(cè)試

主控制器可以根據(jù)參數(shù)自動(dòng)給超級(jí)電容充電，當(dāng)超級(jí)電容器的電壓達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間之后自動(dòng)停止充電；再按下發(fā)射按鍵，測(cè)試電磁炮能否發(fā)射彈丸并測(cè)量彈丸落地位置距離定標(biāo)點(diǎn)的距離。

4.1.2 由鍵盤輸入數(shù)據(jù)控制電磁炮發(fā)射測(cè)試

首先，給電磁炮的儲(chǔ)能電容器充電，當(dāng)儲(chǔ)能電容器的電壓達(dá)到一定數(shù)值后（40V）停止充電；然后，通過外部鍵盤鍵入環(huán)形靶中心和定標(biāo)點(diǎn)之間的間距d與和中心軸的偏離角度到主控制器中;之后,按下電磁炮啟動(dòng)按鍵,單片機(jī)控制的操舵裝置自行調(diào)節(jié)炮管水平方向與垂直仰角方位;最后，主控制器根據(jù)鍵入?yún)?shù)調(diào)整舵機(jī)位置到預(yù)定姿態(tài)，并且控制電容充放電電路，發(fā)射炮彈到預(yù)定位置，根據(jù)炮彈第一次落地時(shí)所在靶環(huán)數(shù)計(jì)分。

4.1.3 炮擊測(cè)試和環(huán)形靶的自動(dòng)搜索

首先，環(huán)形靶將根據(jù)規(guī)則要求被放置在隨機(jī)位置；然后，按下電磁炮的啟動(dòng)按鍵，單片機(jī)給電磁炮的儲(chǔ)能電容器充電，當(dāng)儲(chǔ)能電容器的電壓達(dá)到一定數(shù)值后（40V）停止充電；再次，單片機(jī)根據(jù)舵機(jī)上的攝像頭模塊對(duì)引導(dǎo)標(biāo)識(shí)的自動(dòng)搜索來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)以調(diào)整炮管水平方位及垂直仰角方向，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)瞄準(zhǔn)；最后，主控制器對(duì)電容進(jìn)行充放電操作，射出炮彈，所得分?jǐn)?shù)按炮彈第一次落地?fù)糁形恢糜?jì)分。

充電800ms:(按鍵次數(shù)) 0123456 PWM占空比 2620260025802560254025202500150148160170190248265射程148150165180220260290140140170195228260300平均射程 146146165181.7212.7256285

4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)在測(cè)試階段共進(jìn)行多組數(shù)據(jù)采樣，其中選取了七組最具代表性的數(shù)據(jù)，以此為素材進(jìn)行函數(shù)擬合，得到一組線性函數(shù)，將其寫入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)距離、目標(biāo)角度到舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度值之間的轉(zhuǎn)換。

4.3 測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)過軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到一條平滑曲線，對(duì)其進(jìn)行直線投射得到一組函數(shù)方程。如圖6所示，x軸為PWM波占空比，y軸為平均射程。

圖6

(1)電磁炮能夠成功將彈丸射出。

(2)環(huán)形靶被放置在定標(biāo)點(diǎn)前方的0.2m～0.3m之間，并且處在中心位置。

(3)當(dāng)靶在炮管的同一條軸線上時(shí)。由鍵盤鍵入靶心到炮管的距離值，電磁炮即可自動(dòng)充電，將炮彈射擊到靶心的位置，且誤差值的絕對(duì)值小于等于50厘米。

(4)由鍵盤向主控制器外部鍵入所需打擊的距離以及角度，按下啟動(dòng)按鍵后，電磁炮可以根據(jù)鍵入?yún)?shù)自動(dòng)調(diào)整到舵機(jī)相應(yīng)的位置，得分由實(shí)際擊中的環(huán)形靶計(jì)分，脫靶則無分?jǐn)?shù)。

(5)在規(guī)定區(qū)域內(nèi)任何地方安放環(huán)形靶(有導(dǎo)向標(biāo)志),按下啟動(dòng)按鍵后，主控制器控制舵機(jī)按照一定規(guī)則自動(dòng)尋找紅色目標(biāo)靶心并進(jìn)行炮擊，可以打中環(huán)形靶,而且結(jié)束時(shí)限≤30s。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了曲射電磁炮系統(tǒng)控制方案。該系統(tǒng)STM32F407ZGT6作為系統(tǒng)控制處理器，采用基于攝像頭圖像采集目標(biāo)信息，并得到系統(tǒng)與目標(biāo)之間的偏移量，單片機(jī)得到信息后控制云臺(tái)瞄準(zhǔn)、發(fā)射。本系統(tǒng)對(duì)于電能消耗較大，且電路元件負(fù)載較大。若改用多級(jí)線圈加速，可使加在線圈上的電壓減小，使電路更穩(wěn)定，能耗小。