基于K60的模拟电磁发射系统的设计

袁壮　闵祥辉　李晨　权宇　姚文龙

摘要：本系统采用MK60DN512 作为主控芯片，与磁阻式电磁炮、云台、TOF激光测距、OPEN MV摄像头、LCD液晶显示屏等组成的寻靶测距控制系统。根据摄像头和激光测距检测的位置参数通过PID算法控制云台舵机自动锁定发射目标，同时通过输出可控的PWM信号给云台舵机，来控制自动巡迹目标的定位和发射装置的水平、垂直角度。主控制器根据发射参数计算出电磁炮发射装置的水平、垂直角度及对充放电电路的时间常数，控制云台转动及实现电磁炮的发射。系统可通过按键实现电磁炮的手动发射和自动发射两种模式的选择，经测试可自动搜寻目标发射的设计指标要求。

关键字：MK60DN512 、电磁炮发射装置、TOF测距、PID算法、云台控制

1 设计方案与论证

1.1 整体设计方案描述

根据设计任务的要求，本系统包括云台控制模块、电磁炮控制模块、寻靶模块、测距模块等。其模块之间的关系如下图1-1所示。

本方案用K60作为主控板，采用拨码开关的方式控制电磁炮自动和手控发射模式。拨码开关拨到手控模式，需要手动输入定标点到环形靶心距离 ，竖直、水平方向偏离角度 ，通过主控器控制OPEN MV摄像头和TOF激光寻靶、定点，找准位置，进而调整云台、炮管角度，电子陀螺仪检测云台的偏移角度θ（水平、竖直），蜂鸣器报警提醒瞄准定位成功，通过继电器完成自动完成充放电，全部参数显示在LCD上。

拨码开关拨到自动模式，主控器自动控制摄像头和激光寻靶，后续程序和手控模式一样【1】。

1.2打靶模式描述

电磁炮发射模式有两种，分别为人工输入打靶数据和自动寻靶并发射。

人工输入打靶数据，可以通过键盘输入电磁炮定标点到环形靶的距离为 ，环形靶心与中心轴线的偏离角度 ，在一个规定弧线上任意放置环形靶，一键启动，电磁炮能够自动寻靶并发射弹丸;

自动模式为在 和 的变化范围内，放置环形靶，自动寻靶并发射电磁炮【2】。

1.3主控制器的选择方案

方案1：采用可编程逻辑器件CPLD，具有并行输入输出方式。它在系统处理的速度上较快，但是规模大、结构复杂。

方案2：采用FPGA作为系统的控制器。FPGA可以實现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高。但是因成本较高，高速处理优势得不到体现。

方案3：采用MK60DN512 作为系统的控制器。且数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强;电感隔离，有效的抗干扰能力强等优点，故本系统设计主控芯片选用K60。

1.4电磁曲射炮设计方案

本方案所采用的电磁炮本质上是由若干个线圈组成的投射加速器，线圈依次开关以确保抛射物得到磁场的充分加速，以同步线性马达的方式将磁性抛射物加速到的题目所需要的稳定初速度;磁阻线圈炮由一系列螺线管驱动线圈和铁磁材料的磁轭铁芯组成，且利用线圈的铁磁磁路的磁阻变化吸引铁芯运动来加速铁芯弹丸的【3】。

1.5寻靶、测距设计方案

方案一：摄像头方案选择OPEN MV摄像头捕捉标识靶的图像，采集标识靶的位置信息，传送给主控器。OPEN MV在设计过程中考虑了功耗问题，它可以使用一个3.7V的锂电池供电，消耗电流仅140mA。

方案二：激光方案选择TFmini基于TOF（飞行时间），采用850nm红外光源，配合独特的光学、电学设计，实现稳定、精准、高灵敏和高速的距离测量的功能;产品内置各种应用环境的适配算法，器件具有低成本和小体积的特点【4】。

最终方案：为了增加寻靶并测距的准确性，我们采用OPEN MV摄像头和TOF激光测距两方案相结合。

2理论分析与计算

2.1弹丸发射控制原理

理论上恒定磁场对弹丸进行加速，要求以磁场中心为参考系，磁场的各种属性（强度、空间分布）恒定不变，且磁场与弹丸保持相对静止，磁场中心始终领先弹丸一段固定的距离，其磁场计算方法如下：

为电枢在轨道运动时距离炮尾的距离; 为导间距， 为磁导率其值为： 。

由电容充电原理，得到充电电压随时间变化的关系为：

为极限电压， 为电路电阻， 电路中的电容，其弹丸在电场中有如下公式：

由于磁场的各种属性恒定不变且与弹丸相对静止。所以弹丸受电磁力也恒定，磁场强度不变时，线圈的发热功率也恒定不变。

2.2弹道分析

假设弹丸与地面的夹角为θ，以v_0初速度射出，其云台高度为 ，其弹丸在空中运动距离为如下关系：

其初速度不变改变仰角改变上升时间，从而控制水平距离的长短【5-7】。

3硬件电路设计

3.1稳压电路设计

3.2电磁炮驱动电路设计

电磁炮电源模块采用2-5V供电，升压模块采用一体化结构，组装简单、工作稳定、充电速度快;电路中储能电容采用超大量电容，和发射线圈相对应，发射电压30V，其相应的内部电路图如下图3-2所示。

4结论

基于K60的模拟电磁发射系统的设计在寻靶测距功能上运用了摄像头和激光两个装置相校准，确保功能的实现且减少了误差。扩展了闭环自动控制系统的软硬件使用范围。实现了多种复杂情况的精确打靶。经反复测试，本系统功能可靠稳定，在实际应用方面有这良好的前景。

参考文献：

[1]张睿.基于K60单片机的智能车控制算法的仿真与实现，杭州电子科技大学，2013.04.

[2]张淼.电磁炮发射过程电源系统电磁特性及抗干扰技术研究，南京理工大学，2012.01