袁壯　閔祥輝　李晨　權(quán)宇　姚文龍

摘要：本系統(tǒng)采用MK60DN512 作為主控芯片，與磁阻式電磁炮、云臺(tái)、TOF激光測(cè)距、OPEN MV攝像頭、LCD液晶顯示屏等組成的尋靶測(cè)距控制系統(tǒng)。根據(jù)攝像頭和激光測(cè)距檢測(cè)的位置參數(shù)通過PID算法控制云臺(tái)舵機(jī)自動(dòng)鎖定發(fā)射目標(biāo)，同時(shí)通過輸出可控的PWM信號(hào)給云臺(tái)舵機(jī)，來控制自動(dòng)巡跡目標(biāo)的定位和發(fā)射裝置的水平、垂直角度。主控制器根據(jù)發(fā)射參數(shù)計(jì)算出電磁炮發(fā)射裝置的水平、垂直角度及對(duì)充放電電路的時(shí)間常數(shù)，控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)及實(shí)現(xiàn)電磁炮的發(fā)射。系統(tǒng)可通過按鍵實(shí)現(xiàn)電磁炮的手動(dòng)發(fā)射和自動(dòng)發(fā)射兩種模式的選擇，經(jīng)測(cè)試可自動(dòng)搜尋目標(biāo)發(fā)射的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵字：MK60DN512 、電磁炮發(fā)射裝置、TOF測(cè)距、PID算法、云臺(tái)控制

1 設(shè)計(jì)方案與論證

1.1 整體設(shè)計(jì)方案描述

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，本系統(tǒng)包括云臺(tái)控制模塊、電磁炮控制模塊、尋靶模塊、測(cè)距模塊等。其模塊之間的關(guān)系如下圖1-1所示。

本方案用K60作為主控板，采用撥碼開關(guān)的方式控制電磁炮自動(dòng)和手控發(fā)射模式。撥碼開關(guān)撥到手控模式，需要手動(dòng)輸入定標(biāo)點(diǎn)到環(huán)形靶心距離 ，豎直、水平方向偏離角度 ，通過主控器控制OPEN MV攝像頭和TOF激光尋靶、定點(diǎn)，找準(zhǔn)位置，進(jìn)而調(diào)整云臺(tái)、炮管角度，電子陀螺儀檢測(cè)云臺(tái)的偏移角度θ（水平、豎直），蜂鳴器報(bào)警提醒瞄準(zhǔn)定位成功，通過繼電器完成自動(dòng)完成充放電，全部參數(shù)顯示在LCD上。

撥碼開關(guān)撥到自動(dòng)模式，主控器自動(dòng)控制攝像頭和激光尋靶，后續(xù)程序和手控模式一樣【1】。

1.2打靶模式描述

電磁炮發(fā)射模式有兩種，分別為人工輸入打靶數(shù)據(jù)和自動(dòng)尋靶并發(fā)射。

人工輸入打靶數(shù)據(jù)，可以通過鍵盤輸入電磁炮定標(biāo)點(diǎn)到環(huán)形靶的距離為 ，環(huán)形靶心與中心軸線的偏離角度 ，在一個(gè)規(guī)定弧線上任意放置環(huán)形靶，一鍵啟動(dòng)，電磁炮能夠自動(dòng)尋靶并發(fā)射彈丸;

自動(dòng)模式為在 和 的變化范圍內(nèi)，放置環(huán)形靶，自動(dòng)尋靶并發(fā)射電磁炮【2】。

1.3主控制器的選擇方案

方案1：采用可編程邏輯器件CPLD，具有并行輸入輸出方式。它在系統(tǒng)處理的速度上較快，但是規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

方案2：采用FPGA作為系統(tǒng)的控制器。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高。但是因成本較高，高速處理優(yōu)勢(shì)得不到體現(xiàn)。

方案3：采用MK60DN512 作為系統(tǒng)的控制器。且數(shù)字電路的頻率高，模擬電路的敏感度強(qiáng);電感隔離，有效的抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控芯片選用K60。

1.4電磁曲射炮設(shè)計(jì)方案

本方案所采用的電磁炮本質(zhì)上是由若干個(gè)線圈組成的投射加速器，線圈依次開關(guān)以確保拋射物得到磁場(chǎng)的充分加速，以同步線性馬達(dá)的方式將磁性拋射物加速到的題目所需要的穩(wěn)定初速度;磁阻線圈炮由一系列螺線管驅(qū)動(dòng)線圈和鐵磁材料的磁軛鐵芯組成，且利用線圈的鐵磁磁路的磁阻變化吸引鐵芯運(yùn)動(dòng)來加速鐵芯彈丸的【3】。

1.5尋靶、測(cè)距設(shè)計(jì)方案

方案一：攝像頭方案選擇OPEN MV攝像頭捕捉標(biāo)識(shí)靶的圖像，采集標(biāo)識(shí)靶的位置信息，傳送給主控器。OPEN MV在設(shè)計(jì)過程中考慮了功耗問題，它可以使用一個(gè)3.7V的鋰電池供電，消耗電流僅140mA。

方案二：激光方案選擇TFmini基于TOF（飛行時(shí)間），采用850nm紅外光源，配合獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、精準(zhǔn)、高靈敏和高速的距離測(cè)量的功能;產(chǎn)品內(nèi)置各種應(yīng)用環(huán)境的適配算法，器件具有低成本和小體積的特點(diǎn)【4】。

最終方案：為了增加尋靶并測(cè)距的準(zhǔn)確性，我們采用OPEN MV攝像頭和TOF激光測(cè)距兩方案相結(jié)合。

2理論分析與計(jì)算

2.1彈丸發(fā)射控制原理

理論上恒定磁場(chǎng)對(duì)彈丸進(jìn)行加速，要求以磁場(chǎng)中心為參考系，磁場(chǎng)的各種屬性（強(qiáng)度、空間分布）恒定不變，且磁場(chǎng)與彈丸保持相對(duì)靜止，磁場(chǎng)中心始終領(lǐng)先彈丸一段固定的距離，其磁場(chǎng)計(jì)算方法如下：

為電樞在軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)距離炮尾的距離; 為導(dǎo)間距， 為磁導(dǎo)率其值為： 。

由電容充電原理，得到充電電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系為：

為極限電壓， 為電路電阻， 電路中的電容，其彈丸在電場(chǎng)中有如下公式：

由于磁場(chǎng)的各種屬性恒定不變且與彈丸相對(duì)靜止。所以彈丸受電磁力也恒定，磁場(chǎng)強(qiáng)度不變時(shí)，線圈的發(fā)熱功率也恒定不變。

2.2彈道分析

假設(shè)彈丸與地面的夾角為θ，以v_0初速度射出，其云臺(tái)高度為 ，其彈丸在空中運(yùn)動(dòng)距離為如下關(guān)系：

其初速度不變改變仰角改變上升時(shí)間，從而控制水平距離的長短【5-7】。

3硬件電路設(shè)計(jì)

3.1穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

3.2電磁炮驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電磁炮電源模塊采用2-5V供電，升壓模塊采用一體化結(jié)構(gòu)，組裝簡單、工作穩(wěn)定、充電速度快;電路中儲(chǔ)能電容采用超大量電容，和發(fā)射線圈相對(duì)應(yīng)，發(fā)射電壓30V，其相應(yīng)的內(nèi)部電路圖如下圖3-2所示。

4結(jié)論

基于K60的模擬電磁發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在尋靶測(cè)距功能上運(yùn)用了攝像頭和激光兩個(gè)裝置相校準(zhǔn)，確保功能的實(shí)現(xiàn)且減少了誤差。擴(kuò)展了閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件使用范圍。實(shí)現(xiàn)了多種復(fù)雜情況的精確打靶。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，本系統(tǒng)功能可靠穩(wěn)定，在實(shí)際應(yīng)用方面有這良好的前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]張睿.基于K60單片機(jī)的智能車控制算法的仿真與實(shí)現(xiàn)，杭州電子科技大學(xué)，2013.04.

[2]張淼.電磁炮發(fā)射過程電源系統(tǒng)電磁特性及抗干擾技術(shù)研究，南京理工大學(xué)，2012.01