模擬電磁曲射炮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林娟，王永靖

（蘭州工業(yè)學(xué)院電氣工程學(xué)院，甘肅蘭州，730050）

關(guān)鍵字：STM32F103ZET6單片機(jī)；線圈電磁炮；舵機(jī)；超聲波傳感器

0 引言

采用單片機(jī)為控制核心，超聲波模塊檢測引導(dǎo)標(biāo)識的位置，并以脈沖電信號的形式反饋給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)計(jì)算處理后用來調(diào)整云臺的位置。系統(tǒng)包括單片機(jī)、舵機(jī)、繼電器模塊、儲能式電容、電源模塊組成。由舵機(jī)來控制炮筒轉(zhuǎn)動精確的角度，利用超聲波模塊測出電磁炮與靶之間的距離。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)方案如圖1所示，單片機(jī)STM32F103資源豐富，32位的單片機(jī)使PWM信號的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級的變化，從而提高電機(jī)的轉(zhuǎn)角精度單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到電機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可以通過直流電機(jī)來帶動旋轉(zhuǎn)臂，從而帶動擺桿。

圖1 系統(tǒng)方案

2 理論分析與計(jì)算

2.1 電磁炮參數(shù)分析

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，模擬電磁炮利用強(qiáng)脈沖電磁能來發(fā)射子彈。電磁炮采用線圈式推進(jìn)，儲能式電容放電，從而產(chǎn)生較強(qiáng)電流作用。電流通過線圈后產(chǎn)生瞬間的強(qiáng)磁場，作用在金屬子彈上產(chǎn)生渦流，子彈受到安培力作用后加速。電磁炮將電源的電能轉(zhuǎn)化為子彈的動能和內(nèi)能。線圈將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿?，通過電磁相互作用，最終實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換：

2.2 彈道分析與計(jì)算

其質(zhì)點(diǎn)外彈道運(yùn)動方程組如下:

式中v為彈丸存速(m/s)，t為彈丸飛行時間(s)，ρ為空氣密度(kg/m3)，m為彈丸質(zhì)量(kg)，S為彈丸最大橫截面積(m2)，Cx為阻力系數(shù)，g為重力加速度(m/s2)，θ為彈道傾角(rad)，x為彈道上任意點(diǎn)水平距離(m)，y為彈道上任意點(diǎn)高度(m)，其中:t=0，v=v0，θ=θ0，x=y=0。

彈道系數(shù)的計(jì)算公式為

中，C為彈道系數(shù)，i為彈形系數(shù)，d為彈徑，G為彈丸重量。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 最小系統(tǒng)模塊電路

采用STM32F103單片機(jī)，它是一款增強(qiáng)型32位單片機(jī)，該單片機(jī)采用Cortex-M3內(nèi)核內(nèi)核，可運(yùn)行在72MHz總線頻率上。擁有256KB FLASH;48KB RAM；18通道A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器；30通道PWM輸出。

3.2 電機(jī)驅(qū)動模塊電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動模塊電路如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動模塊電路

3.3 超聲波模塊

本模塊使用方法簡單,一個控制口發(fā)一個10μS以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時器計(jì)時,當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值,此時就為此次測距的時間,方可算出距離。如此不斷的周期測,即可以達(dá)到移動測量的值。

3.4 電源整流電路設(shè)計(jì)

電源整流電路如圖3所示。

圖3 電源整流電路

3.5 舵機(jī)模塊

舵機(jī)的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。以180度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：0.5ms--0度；1.0ms--45度；1.5ms--90度；2.0ms--135度；2.5ms--180度。整體硬件接線圖如圖4所示。

圖4 硬件接線圖

4 軟件電路設(shè)計(jì)

模擬電磁炮軟件流程如圖5所示，由手動模式和自動模式組成，超聲波檢測，仰角計(jì)算等組成。

圖5 模擬電磁炮軟件流程如圖

5 基本測試結(jié)果

5.1 系統(tǒng)硬件測試

實(shí)物測試如圖5所示，對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 電磁炮能夠?qū)椡枭涑雠诳?/p>

對硬件手動進(jìn)行測試，在彈道內(nèi)放入子彈，經(jīng)測試，系統(tǒng)的相應(yīng)時間為2s左右，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 實(shí)物測試圖

5.2 系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)采集測試

手動調(diào)節(jié)電磁炮的角度，并在不同的距離處采集數(shù)據(jù)，為后期算法處理提供原始數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 電磁炮將彈丸發(fā)射至環(huán)形靶的位置

5.3 系統(tǒng)跟隨標(biāo)識移動測試

以電磁炮為圓心，將目標(biāo)靶放置不同的距離處，讓系統(tǒng)自動進(jìn)行掃描打靶，測試的數(shù)據(jù)如下表3所示。

表3 跟隨標(biāo)識移動

6 結(jié)論

本系統(tǒng)通過按鍵電路選擇自動或者手動模式，在手動模式下，用戶可以手動輸入靶心與系統(tǒng)的距離以及水平偏差角度，在自動模式下，用戶一鍵啟動之后，系統(tǒng)自動掃描，在外界干擾不大的情況下，利用超聲波檢測的數(shù)據(jù)，自主計(jì)算出需要旋轉(zhuǎn)的仰角角度，并且驅(qū)動繼電器將儲能電容的能量作用于線圈，在線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場下，安培力作用子彈加速運(yùn)動，擊中目標(biāo)，經(jīng)測試系統(tǒng)功能良好。