徐靖琛，匡迎春，王豪杰

（湖南农业大学信息与智能科学技术学院，长沙 410128）

0 引言

电磁炮是利用电磁感应原理制成的一种具有先进动能的军用杀伤型武器。与传统的利用火药燃气驱动的大炮不同，电磁炮是由电磁系统中的电磁力给弹丸加速，使弹丸具有能够发射动能的，具有储能密度高、初速度大、成本低等优点，适用于现代军事。

目前，国外的电磁炮实际水平还不符合现有发展技术能力，其耗电量较大、能量储存小型化的问题还没得到解决，并且弹射精度不达指标；国内的电磁炮技术正在逐渐发展，新一代的电磁炮口径大、能够实现远程打击，并且正在逐步实现电磁线圈炮及重接炮装备的实体化，但是仍存在精度不够等问题。本文主要致力于研究模拟电磁线圈炮的智能控制系统，利用的单片机控制电容电压的变化来控制弹丸的射程。

1 电磁炮的工作原理及其控制方案

1.1 电磁炮工作原理与结构

电磁炮由加速线圈和供电系统构成，本系统选用1.25mm的漆包线按一定的顺序缠绕内径为15mm白色PVC管制成线圈炮管，用直径10mm的钢珠作为弹丸。加速线圈固定在炮管上，由电磁感应原理可知：当线圈通入交变电流时，就会在炮管中产生交变磁场，磁场对金属弹丸产生电磁力，使弹丸加速运动并发射出去。弹丸在离开炮管的时候已经具有一定的初速度，根据抛体运动的规律可以计算出弹丸的射程。

1.2 电磁炮控制原理与控制方案

本系统通过多次实验，得出电容所需获得的充电电压与弹丸射程的函数关系。使用按键输入引导标识的坐标值或OpenMV4摄像头捕获具体坐标值即弹丸的指定射程，此时单片机可按照函数关系计算出电容需要的电压值及充电时间，并且控制继电器的打开使电容对线圈放电产生强大瞬时电流，变化的电流产生电磁场，进而产生电磁力驱动弹丸发射。整个控制系统是一个反馈系统，根据抛体运动的原理可以通过射程精确计算出弹丸射出弹管的初速度，而弹丸的初速度大小由电磁系统对弹丸的电磁力大小决定，利用单片机控制电容充电时间即可间接控制电磁力大小，进而控制整个系统的变化及弹丸实际射程，实现精准射击。

2 控制系统硬件系统

2.1 控制系统方框图

系统总体框如图1所示：单片机STM32F103为整个系统的主控，它与OpenMV4之间采取串口通信的方式，互相传达任务模式、仰角、偏转角度、弹丸弹射距离值等信息。OpenMV4摄像头通过识别红色引导标识来转动云台，使炮管旋转指向目标位置；单片机通过控制继电器开闭达到开关的效果以控制线圈是否通电，放电瞬间线圈内产生电流，发射弹丸。

图1 系统总体框图

2.2 控制系统电路原理图

（1）单片机接口电路原理图

图2 中的STM32F103CT86为最小系统板的单片机芯片对外I/O口，PA8、PA9为单片机与OpenMV4进行通信的串口，PB8为继电器控制接口，PB9为MOS管控制接口，U2为单片机芯片，左下角为两个晶振电路，JP2为OLED显示模块，JP3为矩阵键盘控制模块，分别与单片机的接口相接，用单片机控制其功能实现。

图2 单片机接口电路图

（2）电容充放电控制系统电路

电容充放电开关控制系统电路图如图3所示：左边的电路为充电开关回路，采用光耦合电路使MOS管接通形成一个开关电路，单片机给IO_1高电平，可与U2的二极管形成一个回路，二极管发光，与此耦合的MOS管接通，形成一个闭合的回路，达到开关闭合的作用，当给IO_1低电平时，电路不导通，便达到了开关断开的作用。右边的电路作用是形成一个电容充放电控制单路，以开关电路的输出作为此电路中电压的输入，通过ADC检测电压值，若电压达到任务要求，则断开充电电路，通过IO_2控制继电器的接通，使电容对线圈进行放电，以产生瞬时电流，从而产生磁场，使弹丸具有动能弹射出去。

图3 电容充放电开关控制子系统电路原理图

3 控制系统软件系统

3.1 电磁炮的受力分析

弹丸在炮管内弹丸的受力分析及磁场发布如图4：加速线圈缠绕的炮管中，弹丸受到电磁场所提供的指向炮管出口方向的电磁力，为弹丸的运动提供加速度，弹丸做速度迅速增加的变加速运动。离开线圈缠绕部分后，弹丸受到管内空气阻力，并且失去了电磁力提供的加速度，而做减速运动，直到炮管口。

图4 电磁炮受力示意图

使弹丸加速运动的电磁力从微观上来看是洛伦兹力，其计算公式为：

式中：F为弹丸所受的电磁力，B为炮管内部的磁场强度，q为弹丸的带电量，N为线圈匝数，v为弹丸垂直于磁场方向的运动速度，I为电流强度，t为通电时间。由此可知，当线圈匝数固定时，弹丸获取的动能与电容放电时提供的电压有关。通过不断地测量，发现将弹丸放到线圈的末尾处，受到的电磁力做的功最多，获取的动能最大，弹射效果最好。

3.2 控制算法

采用STM32F103单片机作为整个电路的核心控制系统。单片机外接矩阵键盘实现模式切换以及数值输入等功能，并且采用OLED显示器实现数据显示。用OpenMV4实现图像处理以测距，采用串口实现与主控STM32的通信，STM32采用高低电平输出的方式来实现对电容充电放电的控制，进而控制电磁炮的发射。

3.3 控制程序

程序首先对OLED显示屏和OpenMV4摄像头等模块进行初始化，系统的任务模式切换由按键实现，按键S10按下一次，模式加一，从模式一直到模式五，再到模式一循环。按下按键设置模式后，通过单片机和OpenMV4的通过串口交换信息，OpenMV4可根据单片机提供的角度调整云台，即炮口方向，单片机根据OpenMV4图像处理得来的距离值，利用AD模块采集需要的电压值，并控制开关使电容对线圈放电发射弹丸。

4 试验结果分析

在本系统的实验中，利用控制变量法，控制线圈匝数为150圈，炮管内径为12.5mm、长度为15cm，根据给电容不同的供压值可得到弹丸的射程，部分实验数据如表1。

表1 电容供压值与弹丸射程记录表（炮管仰角：30°）

根据以上数据拟合可以得出以下关系折现表折线表2。

图5 程序流程图

表2 电容供压值与弹丸射程拟合折线图（炮管仰角：30°）

由此可以得出以下每一段距离之间电容供压值U（V）与弹丸射程D（cm）的函数关系式如下：

U=0.018*D+37.37（200≤D＜211）

U=0.036*D+33.604（211≤D＜221）

U=0.074*D+25.206（221≤D＜231）

U=0.071*D+25.899（231≤D＜242）

U=0.082*D+23.11（242≤D＜251）

U=0.005*D+42.495（251≤D＜261）

U=0.055*D+29.445（261≤D＜271）

U=0.046*D+31.93（271≤D＜283）

U=0.03125*D+35.901（283≤D＜291）

U=0.025*D+37.725（291≤D＜301）

当通过键盘输入引导标识坐标信息或OpenMV4扫描获得引导标识坐标时，单片机可以根据以上关系式计算出电容所需电压值，进而控制电容充电时间及对线圈的放电，从而实现弹丸精确射击，如表3中弹丸的指定射程d与实际射程D的平均偏差绝对值为1.17cm可知，系统基本实现了弹丸精准射击。

表3 弹丸定点发射距离及偏差记录表（炮管仰角：30°）

5 结语

本智能控制系统实现了手动设置发射距离及自动扫描追踪捕获目标的精准射击。利用单片机的调压实现弹丸发射距离的远近，小型模拟控制系统的OLED显示屏上可以显示模式、指定射击距离，炮管仰角，当前电容储压值等信息，适合于制作枪炮类电子玩具。将本系统中的调压方法用于军用电磁炮的制作，则可以实现军事上的精准射击，同时，电磁炮系统可以结合海上军舰、控制战斗机、陆用坦克一起作战，对军事作战有极大的现实意义，对线圈炮实体化的实现有很大推动作用。