基于STM32 的模拟电磁炮实验装置研究与实现

朱俊杰，缪文南

（广州城市理工学院电子信息工程学院，广东广州 510800）

随着科技的快速发展，军事武器不断更新迭代，电磁炮在军事武器研究中受到越来越多的关注[1-3]。传统的发射炮因为成本、精度、稳定性等问题，难以适应军事武器的发展，而利用电磁技术研制的电磁炮具有弹药初速块、体积小、重量轻、命中率高等优点[4-6]。近年来，越来越多学者对电磁炮进行理论研究和实验测试，文献[7]提出了电磁炮高速弹药膛内运动稳定性的研究，利用轨道炮的动力学和运动性能分析进行仿真，分析弹药的速度和射击距离。文献[8]对三级电磁炮的研究与设计，实现了电磁炮远距离的射击。文献[9]设计了一款电磁曲射炮装置，使用云台建立弹丸的运动轨迹计算位移。大部分的研究文献主要对电磁炮的发射装置进行了研究和实验测试，对电磁炮发射的自动控制和射击精度的性能研究文献较少。因此，该文设计了一种新型的模拟电磁炮系统，该系统搭载了云台、openmv 模块、电磁炮射击装置，并使用BNO055 角度传感器读取电磁炮瞄准目标的角度，通过PID 算法实现对云台转向及电磁炮射击装置的闭环控制，研制的模拟电磁炮具有手动模式和自动模式寻靶功能。测试结果表明，模拟电磁炮打靶具有较高的精度和稳定性，达到了设计要求，为新型电磁炮的研究和设计提供了新的思路。

1 系统方案整体设计

系统选用触摸屏作为人机交互界面，可选择手动寻靶模式和自动寻靶模式。电磁炮装置放在距离红色引导标志目标230～330 cm 处，固定云台的发射仰角，建立子弹斜抛运动模型，以便计算子弹初速度和偏航角。通过手动输入目标距离或者使用openmv图像识别模块搜寻目标并计算目标距离，然后调整云台偏航角，控制模拟电磁炮超级电容充放电时间，根据引导靶射击地面上的环形靶。系统的整体示意图如图1 所示。

系统包含STM32F103 微处理器的主控系统、电磁曲射炮、两轴舵机云台、角度测量模块、图像识别模块、电源管理模块、触摸屏人机交互界面七部分。系统硬件框图如图2 所示。

1.1 系统结构设计

根据系统方案设计，电磁曲射炮主要由舵机云台、炮筒、线圈、超级电容组成，炮筒正对向下安装摄像头，用于前方目标的识别与跟踪、测距功能，其效果图与实物图如图3 所示。

1.2 主控系统与云台

系统采用STM32F103 微处理器进行设计，为整套系统提供运算处理能力，实现电磁炮对目标靶的识别与精准射击。控制过程主要包括云台角度控制、电磁炮发射控制、数据软件过滤、目标识别与跟踪等。

云台由两轴舵机组成，形成二自由度控制系统，控制炮筒的俯仰角和偏航角，实现水平方向和俯仰方向的调整[10-11]。舵机采用RP8-S41 数字舵机，该舵机采用多路串行的全新架构，舵机可直接实现ID 的自动分配，反应速度可达到0.098 s/60°，有效角度为270°，扭矩达到45 kg/cm，主控系统通过输入角度直接控制云台偏航角和俯仰角。云台安装BNO055型号9 轴角度测量传感器，利用PID 算法对舵机进行闭环控制，提高电磁炮射击俯仰角和方位角的精度。装置初始化时，云台俯仰角和偏航角回归至中心点。

1.3 电磁曲射炮线圈管设计

电磁炮又称为“同轴发射器”，其中，单级感应线圈炮一般由储能电源（如电容器组）、驱动线圈、发射组件（包括电枢和弹丸）和触发开关等硬件组成[12]。电磁炮感应线圈设计需要考虑的参数众多，主要包括驱动线圈匝数、磁导率、驱动线圈、铜线直径、电容值、电压值、电枢触发位置等重要参数[13]，设计难度较大，于是选择线圈模拟器进行仿真设计。在仿真器上输入原始数据，LCR 仿真数据栏中输入电容耐压值和电容值，通过计算分析得出各项参数，LCR 仿真图及数据如图4 所示。

系统选择的弹体为直径25 mm 的铁球，炮管长120 mm，初始位置为-30 mm，初始速度为0 m/s，根据仿真得出数据，可获得发射子弹的瞬时速度、能耗、效率等数据。然后系统锁定云台仰角，结合电容充放电时间获取瞬间电压，此时感应线圈管的瞬间电压控制子弹的速度和距离。设计电路时，选择额定电压为470 V，超级电容C为1 000 μF，电容充放电计算如式（1）所示：

式中，V0为电容上的初始电压值，Vu为电容充满终止电压值，Vt为任意时刻t电容上的电压值。由上式可得，计算初始电压为E的电容C通过R放电所需的时间。

1.4 电磁炮充放电电路设计

电磁炮充放电电路对电磁炮发射起到非常重要的作用，设计电路如图5 所示，电路主要由继电器、直流升压电路、可控硅、超级电容组成。利用继电器和可控硅实现主控系统对充电电路的控制，通过电路测试可知，该电路充放电可控性强、性能稳定且具有良好的抗干扰性。

2 系统软件设计

2.1 系统总体流程设计

该装置总体软件流程图如图6 所示。系统启动后首先对所有参数进行初始化，用户可选择自动瞄准和手动控制两种模式。当选择手动控制时，用户输入目标点距离和靶心中心轴线上的偏航角，首先根据建立的子弹运动模型计算电磁炮射程；然后主控器调整云台姿态获取偏航角；最后启动对电容进行充电，根据充电时间闭合继电器、发射子弹。

当用户选择自动瞄准模式时，主控器控制openmv从-45°～+45°进行扫描，当识别目标靶后，云台调整电磁炮的俯仰角，让电磁炮与目标靶取向在同一轴线上，测量电磁炮与环形靶中心点的距离。然后主控器将距离和云台偏航角输入子弹运动模型，启动超级电容进行充电，根据充电时间闭合继电器、发射子弹。

2.2 子弹运动模型分析

子弹发射运动轨迹为斜上抛运动轨迹，子弹以一定初速度斜向上抛出去，在忽略空气阻力等情况下，子弹做匀变速曲线运动，运动轨迹为抛物线，根据运动力学定理，子弹合力由水平方向的弹射力和重力组成[14]，如图7 所示。

当线圈管与地面水平时，出口位置即为最高点，假设出口与地面的垂直距离为h,子弹落地与线圈管出口水平距离为S1，出口速度为Vout，由抛物线运动方程计算可得：

当子弹做斜抛运动时，忽略子弹在炮管与枪管内壁的摩擦力等因素，假设线圈炮出口与子弹落地位置为S2、子弹与地面的垂直高度为H，可计算出口的速度Vout，通过力学分析得，在t时刻，VX=Voutcosθ，VY=Voutsinθ-gt，由抛物线运动方程可得：

2.3 openmv目标靶识别与测距

openmv 摄像头是一款小巧、低功耗、开源、低成本的机器视觉传感器，系统采用openmv 模块实现图像处理、图像分析与处理、目标定位等功能[15-16]。为减少环境因素的干扰，打开照明进行补光，其工作流程如图8 所示。

同时利用该装置基于openmv 传感器进行单目测距，根据图像摄取的物体焦距、物体离地面的高度及障碍物在水平面的位置，通过光学原理测定障碍物的距离，即摄像头与引导目标靶的距离[17-18]。单目视觉测距工作原理示意图如图9 所示。

图9 中，AX和BX为openmv 摄像头的成像，Hm和Rm为障碍物（引导目标靶）的实际值，由几何公式推导可得测距为：

2.4 电磁炮发射流程

电磁炮发射首先将电磁炮发射装置12 V 电压逆变提升为200 V 电压，STM32 微处理器采集电容组的电压控制继电器。当充电到设定值时，启动继电器1，对电容组充电。当电磁炮瞄准目标或确定目标距离时，微处理器启动继电器2 打开晶闸管，电容组为电磁炮感应线圈供电，发射子弹[19-20]。电磁炮发射装置控制流程如图10 所示。

3 系统测试分析

系统测试分为手动控制模式和自动模式，环形靶放置离实验装置距离在200～300 cm 之间，与中心轴线偏离角度为θ(-45°≤θ≤45°)，文中主要测试系统的精准度和稳定性。在手动模式下，不断改变目标靶与实验装置的距离和偏航角，每个输入参数测量10 组数据，记录落点的位置，统计平均误差，得到数据如表1 所示。在自动模式下，不断改变靶心的距离值和靶心偏航角，每个输入参数值测量10 组数据，测量并记录落点位置的同时，记录目标靶跟踪的时间，统计平均误差和跟踪时间的平均时间，得到的数据如表2 所示。

从表1 数据发现，手动模式的平均误差约为1.41 cm，精准度较高，稳定性强。在自动瞄准模式下，目标距离的选择有200 cm、230 cm、270 cm、300 cm，距离在相同值下，目标值从-45°开始到45°，每次增加30°，记录并计算落点的平均误差和跟踪时间，从表2数据发现，自动模式的平均环数为8.66 环，平均误差为1.34 环，平均跟踪环数为8.60 环。从表1、表2 分析得知，该系统的射击精准度高、稳定性强，自动跟踪性能良好，具有较好的鲁棒性。

表1 手动模式测试数据记录表

表2 自动模式测试数据记录表

4 结论

该文研究了电磁炮系统总体的结构设计,建立了子弹发射模型、以运动导体所受洛伦兹力为基础，按照电磁炮的最大有效射程及最大设计射速为依据，计算设计储能电容、线圈，控制充放电电流及充放电时间，充分利用openmv 识别与测距方面的优势，并将其嵌入到STM32F103 微处理器中，实现了云台角度控制、电磁炮发射控制、目标识别与跟踪等功能。经设计、组装、调试，采用手动、自动两种模式分别对系统进行现场测试，其中手动模式整体的平均误差约为1.41 cm、自动模式下的平均环数为8.66环，平均跟踪环数为8.60 环。测试结果表明，该系统能够快速对引导靶物体进行跟踪并测量出两者之间的距离，调整云台的偏航角控制射击装置，利用储能电容充放电实现电磁炮自主打靶，具有较高的射击精准度和鲁棒性。该电磁炮的成功研制，为新型电磁炮的研究提供了新的设计方法和思路。