模拟电磁曲射炮装置的硬件设计

廖 虎，韩大江，吴 栓，周杨帆，兰召根，张金亮

（湖北汽车工业学院 电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002）

0 引 言

电磁炮是利用电磁耦合的原理，将电能转换成机械能，加速推进弹丸，实现精准目标打击的装置。相对于传统的火炮推进武器而言，具有隐蔽性好、射速高、成本低、安全可靠等诸多优势。随着国际环境和战争形势的变化，小型化、便携式的轻型电磁炮作为新型武器装备受到了国内外的广泛关注。近年来，对电磁炮射击技术理论的验证、装备的实体化研究成为了各国探索的焦点。对其相关技术的研究具有非常重要的现实意义。

本文基于电磁耦合原理，设计一款模拟电磁曲射炮装置。根据实际系统应用需求，首先对系统的总体结构进行了设计，进一步对系统电源、电磁发射等核心模块电路进行了详细的设计；结合二自由度旋转云台和摄像头识别模块，搭建了模拟电磁曲线炮的硬件实物，并对系统实物进行了功能测试。

1 系统总体设计

本系统主要由主控数据处理模块、按键输入模块、电磁发射模块、引导标识识别模块、云台控制模块和电源模块组成，总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体框图

按键模块：实现系统靶目标、任务命令、模式切换时相关参数的输入。电磁发射模块：实现储能、能量转换和加速发射弹丸。引导标识识别模块：识别和测量靶目标与发射点间的距离。云台控制模块：通过两个维度的旋转实现对发射模块仰角、左右偏移角度的调节。

电源模块：为各子模块供电，并进行不同电压等级之间的转换。

主控数据处理模块：对各模块的数据进行采集、运算、处理以及相关算法实现等。

2 系统详细设计

2.1 电源模块

整个系统电源模块供电需要三个不同的电压等级，分别为：固定5 V输出、3.3 V输出和可调输出，如图2所示。

图2 电源模块电压等级要求

对于5 V和3.3 V电源输出，基于TI公司生产的DC/DC开关电源转换芯片TPS5430进行模块电路设计。TPS5430具有较宽的输入电压范围，输出电流高达3 A，且转换效率高，具有开关使能、过流保护及热关断等功能，能够很好地满足本系统的性能要求。

基于TPS5430设计的5 V和3.3 V电源模块电路分别如图3和图4所示。两者应用电路结构基本一样，不同点在于输出分压电阻的选择。输出电压由VSENSE脚的电阻（、和、）决定。参考电压为1.221 V，对于5 V电源输出，为9.1 kΩ，则确定为3 kΩ；对于3.3 V电源输出，为9.1 kΩ，则确定为5.1 kΩ。

图3 5 V电源模块电路

图4 3.3 V电源模块电路

可调输出模块采用TI公司生产的降压开关型集成稳压芯片LM2596，该芯片输出电流高达3 A，具有良好的线性和负载调节特性。基于该芯片所设计的模块电路如图5所示，输出电压由参考电压以及分压电阻和共同决定，选取为330 Ω、为10 kΩ的可调电位器，从而实现输出电压可调。

图5 可调输出电源模块电路

2.2 电磁发射模块

本系统采用的电磁炮结构为线圈炮。线圈炮是由固定电磁线圈、大容量储能元件、继电器及控制电路构成。基于直流电机原理，固定的电磁线圈作为炮管，通电后，靠同轴线圈作用的互感梯度形成强磁场，产生电磁力，加速弹丸并发射出去。

具体模块电路如图6所示。其中，为大容量储能元件电容；为固定电磁线圈电感。电路基本工作原理为充电和发射两个过程。模块上电后，调节电位器改变采样电压，作为比较器的输入，与设定的充电电压对比，低于预设值，V输出高电平；通过三极管放大电路驱动继电器J接通311 V交流电，给电容充电，充电过程中采样电压V逐渐升高，直至达到预设值，比较器V输出低电平，继电器断开，从而完成充电过程。通过V信号和开关K控制电容放电，放电瞬间，电磁线圈电流增大、周围产生变化磁场，弹丸受电磁力作用，加速运动直至射出炮口。

图6 电磁发射模块电路

2.3 主控模块及其他模块

系统主控芯片采用意法半导体公司生产的32位处理器芯片STM32F103ZET6，主频高达72 MHz，内置高达512 KB的高速闪存，具有丰富的I/O端口和各类标准的通信接口，完全满足系统的功能和性能要求。主控芯片的最小系统原理如图7所示。

图7 主控最小系统电路

云台控制模块是由两个舵机组成的二自由度旋转小型云台，采用的是大扭矩、高性价比的舵机，通过多功能口直接进行连接固定，可以在水平和垂直方向做二自由度运动。结合摄像头识别模块，可以实现对靶目标的跟踪。

3 系统测试

根据设计的原理图制作PCB，购买主要的芯片或者模块，完成焊接工作后进行硬件测试。测试主要内容和结果见表1所列。

表1 硬件测试结果

硬件主要模块测试完毕后，编写软件代码，进行软硬件联调，进而实现整个系统的功能。经过多次测试证明，系统响应速度快，能够很好地跟踪给定范围的靶目标，自动调整电磁炮的发射角度，并发射弹丸，满足系统预期的功能要求。

4 结 语

本文基于电磁耦合、自动控制、图像识别等技术，设计了一种模拟曲射电磁炮装置。以STM32为控制核心，对系统的主要硬件模块进行了详细设计和分析。通过实物测试表明，系统能够满足预期的功能要求和设计指标。受限于当前的实验条件和环境，在靶目标的跟踪、对准以及射击的精度等方面仍有待提高。未来将结合物联网、人工智能等新技术进行融合。