電磁曲射炮控制與彈道分析系統(tǒng)模擬

摘? 要：電磁炮是一種利用電磁能量對(duì)彈丸進(jìn)行加速賦能的武器裝置。相較于常見(jiàn)的火藥武器，電磁炮的殺傷性更強(qiáng)，打擊范圍更廣。該模擬電磁曲射炮裝置是以基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的MK66芯片為主處理器，由攝像頭模塊與激光模塊定位后通過(guò)激光精準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)位置，得到所需的仰角與初速度。經(jīng)由DAC控制繼電器通斷以控制電容充放電的方式控制電磁炮發(fā)射速度，同時(shí)運(yùn)用PID控制技術(shù)控制舵機(jī)角度，實(shí)現(xiàn)電磁炮裝置的精準(zhǔn)制導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高壓電容;自動(dòng)瞄準(zhǔn);電磁力;攝像頭定位;繼電器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2021）02-0038-03

Abstract：Electromagnetic gun is a kind of weapon device that uses electromagnetic energy to accelerate the energy of projectile. Compared to conventional gunpowder weapons，electromagnetic guns are more lethal and can strike over a wider area. The simulated electromagnetic curved gun is based on the MK66 chip based on ARM Cortex-M4 core. After positioning by camera module and laser module，the target position is accurately measured by laser，and the required elevation and initial speed are obtained. The firing speed of the electromagnetic gun is controlled by the way of capacitor charge and discharge by DAC control relay on and off，and the steering angle is controlled by the PID control technology to realize the precise guidance of the electromagnetic gun device.

Keywords：high voltage capacitor;automatic aiming;electromagnetic force;camera positioning;relay

0? 引? 言

傳統(tǒng)武器一般都是利用爆炸產(chǎn)生的巨大壓強(qiáng)將彈丸彈出，但爆炸所產(chǎn)生的動(dòng)能有限，且能量的轉(zhuǎn)化率也相對(duì)比較低，因此彈丸的最大擊打距離也受到極大的限制，為了突破這一限制，電磁炮應(yīng)運(yùn)而生，亟需研究自動(dòng)控制系統(tǒng)操縱電磁炮的重要性不言而喻[1，2]。

本研究做到自主識(shí)別目標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行追蹤監(jiān)視，應(yīng)用PID調(diào)節(jié)雙舵機(jī)云臺(tái)以控制電磁炮的方向，微調(diào)角度實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)打擊。

本文主要以下面的條件和目標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)制作并測(cè)試該系統(tǒng)：將電磁炮系統(tǒng)安裝在固定發(fā)射點(diǎn)處，將炮管的初始狀態(tài)調(diào)整為水平方向與目標(biāo)的連線(xiàn)夾角為0°、垂直方向與地面平行。將目標(biāo)靶水平置于地面，靶子中心與固定發(fā)射點(diǎn)間的距離控制在200 cm≤d≤300 cm，與炮筒延長(zhǎng)線(xiàn)夾角滿(mǎn)足a≤30°。

目標(biāo)一：輸入電磁炮所要擊打的目標(biāo)的距離d以及目標(biāo)與炮筒延長(zhǎng)線(xiàn)的夾角a，通過(guò)按鍵啟動(dòng)系統(tǒng)后，電磁炮自動(dòng)瞄準(zhǔn)射擊。

目標(biāo)二：將目標(biāo)靶子放置在距離電磁炮200～300 cm的范圍內(nèi)，與炮筒的夾角不作要求，要求通過(guò)按鍵啟動(dòng)系統(tǒng)后，炮筒在水平方向反復(fù)擺動(dòng)的過(guò)程中，系統(tǒng)能夠在自動(dòng)搜尋并鎖定目標(biāo)后發(fā)射彈丸命中目標(biāo)靶子。

1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電磁曲射炮控制與彈道分析系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括四個(gè)部分：

（1）數(shù)據(jù)獲取。單片機(jī)通過(guò)鍵盤(pán)輸入位置數(shù)據(jù)或通過(guò)OpenMV攝像頭模塊捕獲目標(biāo)，獲取目標(biāo)與中心軸線(xiàn)的偏離角，由TFmini激光測(cè)距模塊精準(zhǔn)測(cè)量與目標(biāo)點(diǎn)的距離，獲得舵機(jī)的目標(biāo)角度。

（2）被測(cè)電壓信號(hào)。通過(guò)ZVS升壓電路對(duì)電容進(jìn)行充電，對(duì)電容進(jìn)行分壓測(cè)得電容實(shí)際電壓，反饋至mcu進(jìn)行判斷與處理。

（3）TFT顯示。顯示當(dāng)前工作的模式、目標(biāo)角度、距離等信息，配合矩陣鍵盤(pán)提供較好的菜單式人機(jī)交互界面。

（4）彈丸發(fā)射控制。利用可控硅的開(kāi)關(guān)特性，由MCU發(fā)出控制信號(hào)，釋放電容電壓，使線(xiàn)圈通電生成電磁場(chǎng)，完成鐵質(zhì)彈丸加速發(fā)射等過(guò)程。

1.1? 圖像系統(tǒng)方案選擇

方案一：使用MT9V034攝像頭模塊。MT9V034攝像頭為灰度攝像頭，而靶標(biāo)為紅色，與其他深顏色的物體區(qū)別度不高，會(huì)降低系統(tǒng)的魯棒性。

方案二：使用OV7725攝像頭模塊。雖然OV7725為彩色攝像頭，但因?yàn)椴蕡D的數(shù)據(jù)較為復(fù)雜，對(duì)單片機(jī)的處理速度要求極高，所以并不適合在外接較多模塊的情況下使用。

方案三：使用OpenMVRT攝像頭模塊。OpenMVRT攝像頭模塊是集成在RT1062單片機(jī)上的攝像頭模塊，并且已經(jīng)具有了較為完善的庫(kù)函數(shù)，在實(shí)現(xiàn)各種特定識(shí)別功能時(shí)容易上手，能較好地識(shí)別靶標(biāo)。

綜合以上三種方案，選擇方案三。

1.2? 控制方案選擇

方案一：?jiǎn)为?dú)控制舵機(jī)垂直仰角控制射程，射程控制范圍較小，難以微調(diào)距離。

方案二：同時(shí)控制舵機(jī)垂直仰角和炮彈初速度，控制范圍較大，且二者能夠搭配使用。

綜合以上兩種方案，選擇方案二。

2? 系統(tǒng)理論分析和計(jì)算

2.1? 數(shù)據(jù)分析

斜拋運(yùn)動(dòng)達(dá)到的最大高度（忽略阻力），斜拋運(yùn)動(dòng)到達(dá)最高點(diǎn)的時(shí)間，斜拋運(yùn)動(dòng)的水平射程（相同高度），斜拋運(yùn)動(dòng)軌跡方程 。其中，V0為初始速度，θ為出射角度，g為重力加速度[3，4]。

由于實(shí)際發(fā)射過(guò)程中存在阻力等難以計(jì)算的因素，且舵機(jī)角度定位存在一定誤差，單純通過(guò)計(jì)算結(jié)果而進(jìn)行相應(yīng)控制的效果并不好，所以我們選擇在數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)上進(jìn)行一定范圍的修正，做出適當(dāng)調(diào)節(jié)以保證炮彈落點(diǎn)的準(zhǔn)確性。

2.2? 角度和距離的測(cè)量

固定攝像頭使之與炮筒角度一致，保證攝像頭中心與炮筒中心在同一水平面上，通過(guò)PID調(diào)節(jié)達(dá)到快速精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)。由于單目攝像頭不能精確定位，所以我們通過(guò)激光測(cè)距模塊TFminiPLUS精確地測(cè)量模塊距導(dǎo)引靶的距離，然后計(jì)算出炮管距目標(biāo)靶的精確距離，再通過(guò)該距離調(diào)節(jié)垂直角度和炮彈初速度。

2.3? 舵機(jī)云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角控制

通過(guò)攝像頭得到的引導(dǎo)標(biāo)識(shí)位置，計(jì)算其在X軸方向上與圖像中心點(diǎn)的偏差。由于攝像頭在安裝時(shí)與電磁炮的炮管平行，即得到了引導(dǎo)標(biāo)識(shí)與炮管指向方向在X方向上的偏差。之后將該偏差作為舵機(jī)控制的輸入，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行PID控制使得炮管始終指向引導(dǎo)標(biāo)識(shí)，從而保證炮彈的發(fā)射方向便是環(huán)形靶所在方向。

2.4? 攝像頭識(shí)別瞄準(zhǔn)

通過(guò)OpenMV識(shí)別紅色引導(dǎo)標(biāo)志，通過(guò)UART輸出標(biāo)志的二維坐標(biāo)與圖像中心點(diǎn)二維坐標(biāo)的差。主控單片機(jī)分別將兩個(gè)方向的偏差投入PID控制系統(tǒng)，PID控制系統(tǒng)的輸出給云臺(tái)的兩個(gè)舵機(jī)。直到引導(dǎo)標(biāo)志的中心點(diǎn)與圖像中心點(diǎn)完全重合，誤差為零，PID控制器停止調(diào)節(jié)，即為瞄準(zhǔn)，預(yù)備開(kāi)炮。

2.5? 電磁能量的計(jì)算

自行繞制線(xiàn)圈首先初步確定總匝數(shù)和線(xiàn)圈長(zhǎng)度，將參數(shù)輸入電磁炮計(jì)算器，通過(guò)輸入線(xiàn)圈總匝數(shù)40匝、線(xiàn)徑0.8 mm、炮管外徑17 mm、線(xiàn)圈長(zhǎng)度60 cm、銅的密度8.96 g/cm3和導(dǎo)電率1.7×10-8 Ω·m，可以得出纏繞的線(xiàn)圈的電感值和其他參數(shù)，并通過(guò)模擬器仿真可以調(diào)整線(xiàn)圈參數(shù)，以此調(diào)整彈丸出射速度和出射動(dòng)能[5，6]。

3? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括兩部分：

（1）升壓子系統(tǒng)，如圖2所示，其為ZVS升壓電路，也稱(chēng)“零電壓開(kāi)關(guān)電路”。它比普通開(kāi)關(guān)電源能效高，在高頻作用下，能大大降低開(kāi)關(guān)電壓的損耗，提高電源效率[7，8]，可使一般的小功率軟開(kāi)關(guān)電源效率提高到80%～85%。

（2）高壓電容放電子系統(tǒng)，如圖3所示。

4? 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制，攝像頭和激光測(cè)距模塊信息采集、圖像處理、屏幕顯示、鍵盤(pán)調(diào)參、切換模式、一鍵啟動(dòng)等功能：

（1）舵機(jī)控制。啟動(dòng)后輸入目標(biāo)舵機(jī)打角實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié);

（2）攝像頭、激光模塊部分。攝像頭和激光模塊通過(guò)串口讀取需要的數(shù)據(jù);

（3）圖像處理部分。識(shí)別紅色色塊并回傳色塊中心坐標(biāo);

（4）屏幕顯示部分。顯示當(dāng)前模式編號(hào)、設(shè)定角度、距離等;

（5）鍵盤(pán)部分。利用4×4矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)模式切換、鍵盤(pán)調(diào)參、一鍵啟動(dòng)等功能。程序開(kāi)始初始化單片機(jī)所需的各個(gè)模塊，激光、攝像頭等開(kāi)始工作、舵機(jī)打角至仰角和水平角度為0。接下來(lái)通過(guò)按鍵切換至輸入?yún)?shù)模式，等待參數(shù)輸入完成后充能。舵機(jī)水平搖擺直到鎖定目標(biāo)，發(fā)射彈丸。圖4為本系統(tǒng)的主程序流程圖。

5? 系統(tǒng)測(cè)試與分析

5.1? 測(cè)試方案

按照設(shè)計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)測(cè)試方案如下：

（1）電磁炮打擊指定距離目標(biāo)。輸入目標(biāo)距離，判斷實(shí)際落點(diǎn)是否滿(mǎn)足目標(biāo)距離，測(cè)試電磁炮彈道的穩(wěn)定性;

（2）電磁炮向指定角度和指定距離發(fā)射測(cè)試。通過(guò)鍵盤(pán)輸入角度和距離，使電磁炮旋轉(zhuǎn)到指定角度后發(fā)射;

（3）電磁炮自動(dòng)尋找引導(dǎo)標(biāo)識(shí)發(fā)射測(cè)試。在-30°到30°的角度范圍內(nèi)，放置引導(dǎo)標(biāo)識(shí)，距離在2 m到3 m之間。電磁炮啟動(dòng)后自動(dòng)尋找引導(dǎo)標(biāo)識(shí)，根據(jù)引導(dǎo)標(biāo)識(shí)的位置向環(huán)形靶射擊。測(cè)試電磁炮的自瞄系統(tǒng)和測(cè)距效果。

5.2? 測(cè)試結(jié)果

共進(jìn)行了8次測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

5.3? 系統(tǒng)分析

根據(jù)上述測(cè)試，得到了該電磁炮系統(tǒng)在三種測(cè)試方案下炮彈落點(diǎn)與中心軸線(xiàn)的角度和與定標(biāo)點(diǎn)距離的多組數(shù)據(jù)，由此可以得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)于固定距離射擊，炮彈落點(diǎn)基本在靶標(biāo)8環(huán)內(nèi)，最大偏差不會(huì)超過(guò)15 cm;

（2）對(duì)于固定角度，固定距離射擊，云臺(tái)角度偏差在±1°內(nèi)，炮彈落點(diǎn)基本在靶標(biāo)8環(huán)內(nèi)，最大偏差不會(huì)超過(guò)15 cm;

（3）對(duì)于自動(dòng)尋找引導(dǎo)標(biāo)識(shí)射擊，該電磁炮系統(tǒng)每次均能較好的識(shí)別并指向引導(dǎo)標(biāo)識(shí)。炮彈落點(diǎn)基本在靶標(biāo)7環(huán)內(nèi)，最大偏差不會(huì)超過(guò)20 cm。

綜上所述，本設(shè)計(jì)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

6? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)采用攝像頭和測(cè)距模塊相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的精準(zhǔn)定位，能夠在指定的區(qū)域內(nèi)自主搜索目標(biāo)，并根據(jù)距離自動(dòng)調(diào)節(jié)角度，實(shí)現(xiàn)精確的打擊。通過(guò)線(xiàn)圈與升壓模塊的組合模擬了軍用電磁炮的原理，實(shí)現(xiàn)了比較精準(zhǔn)的炮彈制導(dǎo)，對(duì)于武器用電磁炮的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：梁明智（1999—），男，漢族，山東鄆城人，本科在讀，研究方向：電子信息工程。