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(guó)鐵路上海局集團(tuán)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(yùn)而生。隨著時(shí)代的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于炮彈發(fā)射的速度和射程的要求也越來越高，為了實(shí)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(dòng)炮彈的動(dòng)力源于電磁力，是利用電磁系統(tǒng)中電磁場(chǎng)產(chǎn)生的安培力來對(duì)金屬炮彈進(jìn)行加速，使其獲得打擊目標(biāo)所需的動(dòng)能。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 主控芯片模塊

MSP430F5529單片機(jī)，是一塊16位的單片機(jī)且具有精簡(jiǎn)指令集、定時(shí)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(shí)可以靈活運(yùn)用匯編語(yǔ)言，性價(jià)比高[1]。

1.2 非接觸式傳感器

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

1.3 云臺(tái)

采取舵機(jī)驅(qū)動(dòng)云臺(tái)。舵機(jī)通過單片機(jī)，設(shè)置比例控制云臺(tái)，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(zhǔn)、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)動(dòng)云臺(tái)。

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(chǎng)產(chǎn)生的安培力作用于小鐵球，使其瞬間獲得動(dòng)能并擊中目標(biāo)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(hào)，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(jì)

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(cè)距模塊以及升降壓模塊六個(gè)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(jī)系統(tǒng)、繼電器模塊、超聲波測(cè)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(biāo)位置由超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)，當(dāng)確定炮擊位置時(shí)，單個(gè)芯片輸出高電平信號(hào)。運(yùn)用繼電器實(shí)現(xiàn)到時(shí)自動(dòng)復(fù)位及控制電磁曲射炮發(fā)射，同時(shí)經(jīng)過LRC充放電電路，將信號(hào)傳送給單片機(jī)，然后通過顯示屏將所測(cè)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(jì)

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(jì)分析

2.4.1 控制模塊

主控制芯片采取MSP430F5529單片機(jī)?？蓱?yīng)用于多種場(chǎng)景，配合使用多種拓展模塊，增強(qiáng)了便攜式測(cè)量應(yīng)用的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)[4]。

2.4.2 電源模塊

本平臺(tái)采用直流穩(wěn)壓電源給予相關(guān)設(shè)備供電，同時(shí)準(zhǔn)備了可充電的蓄電池直流輸出12V電源給予舵機(jī)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(jì)分析

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

3 測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

3.1 彈丸的發(fā)射

超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)到物體時(shí)，會(huì)輸出一段高電平信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)捕獲這段高電平信號(hào)，在芯片內(nèi)部進(jìn)行時(shí)間數(shù)據(jù)記錄，換算為超聲波確定的距離，確認(rèn)發(fā)射位置后，電容瞬間放電，此時(shí)電磁場(chǎng)產(chǎn)生的安培力作用于小鐵球，瞬間加速以達(dá)到發(fā)射小鐵球所需的動(dòng)能[5-6]。

3.2 定點(diǎn)瞄準(zhǔn)射擊

在鍵盤輸入距離d值之后，通過主控芯片計(jì)算所需的仰角，從而直接改變管口仰角，進(jìn)行電磁曲射炮的充能與發(fā)射流程，進(jìn)而擊中目標(biāo)靶。也可同時(shí)輸入偏離角α和距離d達(dá)到預(yù)期效果。當(dāng)不知定點(diǎn)目標(biāo)距離和偏移距離時(shí)，通過采用超聲波傳感器旋轉(zhuǎn)水平舵機(jī)進(jìn)行地毯式檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到環(huán)形靶引導(dǎo)標(biāo)識(shí)時(shí)，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(cè)到目標(biāo)的角度，調(diào)整炮口仰角，瞄準(zhǔn)射擊。從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搜尋目標(biāo)并炮擊目標(biāo)[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(cè)量的環(huán)形靶中心與平臺(tái)的距離d傳輸給主控芯片后，主控芯片控制舵機(jī)水平、垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)，瞄準(zhǔn)環(huán)形靶。啟動(dòng)電容充電回路，到達(dá)預(yù)計(jì)充電時(shí)間，斷開充電回路，啟動(dòng)發(fā)射回路，擊中環(huán)形靶的8環(huán)左右。稍微改變舵機(jī)的角度，到達(dá)指定計(jì)算點(diǎn)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(shí)驗(yàn)，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(dòng)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)的能量與所選炮管的滾動(dòng)摩擦系數(shù)均需要在線圈制作過程中進(jìn)行考慮，從而確定線圈的線徑和匝數(shù)。

3.5 測(cè)試性能指標(biāo)

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(shí)驗(yàn)測(cè)試：射程與測(cè)量電壓變化測(cè)試值結(jié)果如表1所示（炮口仰角20°）、射程與測(cè)試匝數(shù)變化測(cè)試值結(jié)果如表2所示（炮口仰角20°）。

表1 測(cè)量電壓變化測(cè)試值（匝數(shù)200V）

表2 測(cè)試匝數(shù)變化測(cè)試值（電壓220V）

3.6 測(cè)試結(jié)果

一鍵啟動(dòng)后，在固定距離內(nèi)能夠準(zhǔn)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(zhǔn)確一鍵啟動(dòng)，擊中固定目標(biāo)靶，在指定范圍內(nèi)自動(dòng)搜尋標(biāo)識(shí)物標(biāo)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(jī)為控制核心、采用二度自由云臺(tái)加超聲波探頭采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)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(jī)適配度高，編寫程序便捷。

（2）硬件方面：①研究設(shè)計(jì)3.3V-5V雙向電平轉(zhuǎn)換電路；②研究設(shè)計(jì)升壓模塊，基本實(shí)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(biāo)靶。

（3）可優(yōu)化部分：①在實(shí)際運(yùn)用中，需要有一定大小的標(biāo)識(shí)物來確定目標(biāo)，用于超聲波傳感器（HC-SR04）測(cè)量目標(biāo)的距離，反饋到主控芯片。②用于超級(jí)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(tái)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(tái)的全自動(dòng)性能降低。④全自動(dòng)搜尋目標(biāo)模式下，需要水平舵機(jī)從左至右，利用超聲波測(cè)距傳感器（HCSR04）測(cè)量距離的數(shù)據(jù)判斷是否檢測(cè)到標(biāo)識(shí)物，在測(cè)量過程中不能有其他障礙物比標(biāo)識(shí)物的距離更近，否則會(huì)發(fā)生誤判，從而瞄準(zhǔn)障礙物進(jìn)行射擊，無法打擊標(biāo)識(shí)物目標(biāo)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)搜尋60度后，無檢測(cè)到標(biāo)識(shí)物，所消耗的時(shí)間較長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

研究的電磁曲射炮平臺(tái)，本著便捷、高效、成本低的目標(biāo)，具有簡(jiǎn)單的人機(jī)交互界面，可以通過LCD顯示電磁曲射炮的當(dāng)前信息。同時(shí)借助輸入鍵盤實(shí)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(biāo)，能夠基本到達(dá)最初的目標(biāo)要求。