模拟电磁曲射炮控制系统设计

林娟，王永靖

（兰州工业学院电气工程学院，甘肃兰州，730050）

关键字：STM32F103ZET6单片机；线圈电磁炮；舵机；超声波传感器

0 引言

采用单片机为控制核心，超声波模块检测引导标识的位置，并以脉冲电信号的形式反馈给单片机，经单片机计算处理后用来调整云台的位置。系统包括单片机、舵机、继电器模块、储能式电容、电源模块组成。由舵机来控制炮筒转动精确的角度，利用超声波模块测出电磁炮与靶之间的距离。

1 系统方案

系统方案如图1所示，单片机STM32F103资源丰富，32位的单片机使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高电机的转角精度单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到电机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可以通过直流电机来带动旋转臂，从而带动摆杆。

图1 系统方案

2 理论分析与计算

2.1 电磁炮参数分析

根据电磁感应定律，模拟电磁炮利用强脉冲电磁能来发射子弹。电磁炮采用线圈式推进，储能式电容放电，从而产生较强电流作用。电流通过线圈后产生瞬间的强磁场，作用在金属子弹上产生涡流，子弹受到安培力作用后加速。电磁炮将电源的电能转化为子弹的动能和内能。线圈将电能转变为磁场能，通过电磁相互作用，最终实现能量的转换：

2.2 弹道分析与计算

其质点外弹道运动方程组如下:

式中v为弹丸存速(m/s)，t为弹丸飞行时间(s)，ρ为空气密度(kg/m3)，m为弹丸质量(kg)，S为弹丸最大横截面积(m2)，Cx为阻力系数，g为重力加速度(m/s2)，θ为弹道倾角(rad)，x为弹道上任意点水平距离(m)，y为弹道上任意点高度(m)，其中:t=0，v=v0，θ=θ0，x=y=0。

弹道系数的计算公式为

中，C为弹道系数，i为弹形系数，d为弹径，G为弹丸重量。

3 硬件电路设计

3.1 最小系统模块电路

采用STM32F103单片机，它是一款增强型32位单片机，该单片机采用Cortex-M3内核内核，可运行在72MHz总线频率上。拥有256KB FLASH;48KB RAM；18通道A/D模数转换器；30通道PWM输出。

3.2 电机驱动模块电路设计

电机驱动模块电路如图2所示。

图2 电机驱动模块电路

3.3 超声波模块

本模块使用方法简单,一个控制口发一个10μS以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离。如此不断的周期测,即可以达到移动测量的值。

3.4 电源整流电路设计

电源整流电路如图3所示。

图3 电源整流电路

3.5 舵机模块

舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：0.5ms--0度；1.0ms--45度；1.5ms--90度；2.0ms--135度；2.5ms--180度。整体硬件接线图如图4所示。

图4 硬件接线图

4 软件电路设计

模拟电磁炮软件流程如图5所示，由手动模式和自动模式组成，超声波检测，仰角计算等组成。

图5 模拟电磁炮软件流程如图

5 基本测试结果

5.1 系统硬件测试

实物测试如图5所示，对系统的硬件进行测试，测试结果如表1所示。

表1 电磁炮能够将弹丸射出炮口

对硬件手动进行测试，在弹道内放入子弹，经测试，系统的相应时间为2s左右，基本满足设计要求。

图6 实物测试图

5.2 系统基本数据采集测试

手动调节电磁炮的角度，并在不同的距离处采集数据，为后期算法处理提供原始数据，采集的数据如表2所示。

表2 电磁炮将弹丸发射至环形靶的位置

5.3 系统跟随标识移动测试

以电磁炮为圆心，将目标靶放置不同的距离处，让系统自动进行扫描打靶，测试的数据如下表3所示。

表3 跟随标识移动

6 结论

本系统通过按键电路选择自动或者手动模式，在手动模式下，用户可以手动输入靶心与系统的距离以及水平偏差角度，在自动模式下，用户一键启动之后，系统自动扫描，在外界干扰不大的情况下，利用超声波检测的数据，自主计算出需要旋转的仰角角度，并且驱动继电器将储能电容的能量作用于线圈，在线圈产生的强磁场下，安培力作用子弹加速运动，击中目标，经测试系统功能良好。