模擬電磁曲射炮研究與創(chuàng)新

戴麗君，張翊萱，門維元

（1.教育部高鐵安全協(xié)同創(chuàng)新中心、江蘇省高鐵安全工程技術(shù)研究開發(fā)中心（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院），江蘇 南京 210031；2.中國鐵路上海局集團有限公司南京供電段，江蘇 南京 210015）

0 引言

電炮是一種新型的超高速發(fā)射設(shè)備，它隨著軍事科技的發(fā)展應(yīng)運而生。隨著時代的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進步，對于炮彈發(fā)射的速度和射程的要求也越來越高，為了實現(xiàn)更高的發(fā)射要求，由此衍生了電炮。電炮主要分為電熱炮、電磁炮以及混合炮三種形式類型。其中，電熱炮是通過將電能轉(zhuǎn)化為熱能，瞬間膨脹使炮彈能夠發(fā)射出去，所以稱為電熱發(fā)射器；而電磁炮推動炮彈的動力源于電磁力，是利用電磁系統(tǒng)中電磁場產(chǎn)生的安培力來對金屬炮彈進行加速，使其獲得打擊目標所需的動能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 主控芯片模塊

MSP430F5529單片機，是一塊16位的單片機且具有精簡指令集、定時比較捕獲、串行系統(tǒng)編程，超低功耗等功能。其擁有豐富的片上外設(shè)、片內(nèi)資源及高性能的模擬技術(shù)，同時可以靈活運用匯編語言，性價比高[1]。

1.2 非接觸式傳感器

利用HC-SRO4超聲波傳送信號，其安裝方便、不易老化，材料堅固、耐腐且使用壽命長。

1.3 云臺

采取舵機驅(qū)動云臺。舵機通過單片機，設(shè)置比例控制云臺，自身的集成控制電路，根據(jù)脈寬調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角以及仰角，能夠靈敏、精準、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動云臺。

1.4 電磁曲射炮

采取線圈式電磁曲射炮。使用高質(zhì)量的漆包線，由于電磁場產(chǎn)生的安培力作用于小鐵球，使其瞬間獲得動能并擊中目標環(huán)形靶[2-3]。

1.5 顯示模塊

采取LCD12864顯示屏。LCD12864顯示屏不僅能顯示數(shù)字、漢字、符號，也能顯示圖像、信息等各方面參數(shù)。

2 電磁曲射炮系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)分為控制模塊、電源模塊、繼電器模塊、按鍵及顯示模塊、超聲波測距模塊以及升降壓模塊六個部分組成。系統(tǒng)框圖如下圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)工作原理

本系統(tǒng)主要由MSP430F5529單片機系統(tǒng)、繼電器模塊、超聲波測距模塊、LCD12864顯示屏、升壓模塊、4×4鍵盤、直流電源等部分組成。目標位置由超聲波測距模塊檢測，當確定炮擊位置時，單個芯片輸出高電平信號。運用繼電器實現(xiàn)到時自動復(fù)位及控制電磁曲射炮發(fā)射，同時經(jīng)過LRC充放電電路，將信號傳送給單片機，然后通過顯示屏將所測量的距離、發(fā)炮的情況等參數(shù)顯示出來。

2.3 核心電路設(shè)計

核心電路由12V電源、C為110V、1000uf的電容、D1為反向限流二極管、PNP三極管、KA1開關(guān)、自制變壓器以及自制線圈組成。

2.4 硬件模塊設(shè)計分析

2.4.1 控制模塊

主控制芯片采取MSP430F5529單片機?？蓱?yīng)用于多種場景，配合使用多種拓展模塊，增強了便攜式測量應(yīng)用的待機時長[4]。

2.4.2 電源模塊

本平臺采用直流穩(wěn)壓電源給予相關(guān)設(shè)備供電，同時準備了可充電的蓄電池直流輸出12V電源給予舵機供電。

2.4.3 繼電器模塊

采用電磁式繼電器

2.4.4 升降壓模塊

采用LM2596 DC-DC 3A可調(diào)降壓模塊，其體積較小精度系數(shù)又在合理范圍內(nèi)。

2.5 軟件模塊設(shè)計分析

功能特性：①直接輸入目標的直線距離，不改變偏轉(zhuǎn)角度；②同時輸入目標直線距離和偏轉(zhuǎn)正負角度；③全自動搜尋目標；④已知距離，未知方位。

3 測試方案與測試結(jié)果

3.1 彈丸的發(fā)射

超聲波測距模塊檢測到物體時，會輸出一段高電平信號給單片機，單片機捕獲這段高電平信號，在芯片內(nèi)部進行時間數(shù)據(jù)記錄，換算為超聲波確定的距離，確認發(fā)射位置后，電容瞬間放電，此時電磁場產(chǎn)生的安培力作用于小鐵球，瞬間加速以達到發(fā)射小鐵球所需的動能[5-6]。

3.2 定點瞄準射擊

在鍵盤輸入距離d值之后，通過主控芯片計算所需的仰角，從而直接改變管口仰角，進行電磁曲射炮的充能與發(fā)射流程，進而擊中目標靶。也可同時輸入偏離角α和距離d達到預(yù)期效果。當不知定點目標距離和偏移距離時，通過采用超聲波傳感器旋轉(zhuǎn)水平舵機進行地毯式檢測。當檢測到環(huán)形靶引導(dǎo)標識時，通過超聲波傳感器傳回的距離數(shù)據(jù)以及水平旋轉(zhuǎn)檢測到目標的角度，調(diào)整炮口仰角，瞄準射擊。從而實現(xiàn)自動搜尋目標并炮擊目標[7]。

3.3 擊中環(huán)形靶環(huán)數(shù)

由輸入模塊輸入或者超聲波傳感器測量的環(huán)形靶中心與平臺的距離d傳輸給主控芯片后，主控芯片控制舵機水平、垂直方向轉(zhuǎn)動，瞄準環(huán)形靶。啟動電容充電回路，到達預(yù)計充電時間，斷開充電回路，啟動發(fā)射回路，擊中環(huán)形靶的8環(huán)左右。稍微改變舵機的角度，到達指定計算點即可接近環(huán)形靶的10環(huán)。雖有一定的誤差，但在接收的范圍（8-10環(huán)）內(nèi)。

3.4 參數(shù)分析

本電磁曲射炮演示儀的核心部件即為線圈式擊發(fā)裝置。它是由0.5mm、200匝左右漆包線、13mm口徑PVC管、絕緣膠布、自制韌性無磁性底座組成。經(jīng)過反復(fù)實驗，觀察放電過程中，螺線管線圈中的大電流脈沖的瞬態(tài)特性,得出結(jié)論：電流制動線圈產(chǎn)生磁場的能量與所選炮管的滾動摩擦系數(shù)均需要在線圈制作過程中進行考慮，從而確定線圈的線徑和匝數(shù)。

3.5 測試性能指標

電磁曲射炮射擊的距離，主要由線圈的匝數(shù)和線圈的電壓決定。下面是相關(guān)實驗測試：射程與測量電壓變化測試值結(jié)果如表1所示（炮口仰角20°）、射程與測試匝數(shù)變化測試值結(jié)果如表2所示（炮口仰角20°）。

表1 測量電壓變化測試值（匝數(shù)200V）

表2 測試匝數(shù)變化測試值（電壓220V）

3.6 測試結(jié)果

一鍵啟動后，在固定距離內(nèi)能夠準確的將炮彈射出炮口，而且誤差范圍不大于5cm。設(shè)定距離、偏移角后能準確一鍵啟動，擊中固定目標靶，在指定范圍內(nèi)自動搜尋標識物標并炮擊環(huán)形靶。

4 創(chuàng)新特色與展望

（1）軟件方面：以MSP430F5529單片機為控制核心、采用二度自由云臺加超聲波探頭采集數(shù)據(jù)實現(xiàn)目標位置的距離與方位的投射。采用CCS6編寫代碼，與MSP430系列單片機適配度高，編寫程序便捷。

（2）硬件方面：①研究設(shè)計3.3V-5V雙向電平轉(zhuǎn)換電路；②研究設(shè)計升壓模塊，基本實現(xiàn)曲射炮2-3m的發(fā)射距離和+30度的轉(zhuǎn)向角度射擊固定目標靶。

（3）可優(yōu)化部分：①在實際運用中，需要有一定大小的標識物來確定目標，用于超聲波傳感器（HC-SR04）測量目標的距離，反饋到主控芯片。②用于超級電容器充電的高壓直流設(shè)備，雖然輸出的直流電壓穩(wěn)定高效，但是使得本平臺不便于攜帶。③電磁曲射炮在發(fā)射完畢后，需要人工重新裝彈，使平臺的全自動性能降低。④全自動搜尋目標模式下，需要水平舵機從左至右，利用超聲波測距傳感器（HCSR04）測量距離的數(shù)據(jù)判斷是否檢測到標識物，在測量過程中不能有其他障礙物比標識物的距離更近，否則會發(fā)生誤判，從而瞄準障礙物進行射擊，無法打擊標識物目標。當旋轉(zhuǎn)搜尋60度后，無檢測到標識物，所消耗的時間較長。

5 結(jié)語

研究的電磁曲射炮平臺，本著便捷、高效、成本低的目標，具有簡單的人機交互界面，可以通過LCD顯示電磁曲射炮的當前信息。同時借助輸入鍵盤實現(xiàn)功能的選擇及數(shù)據(jù)的輸入；控制芯片MSP430F5529具有高效的數(shù)據(jù)處理能力；基座材料能夠成功的發(fā)射并能擊中目標，能夠基本到達最初的目標要求。