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基于多模式切換的高精度電磁炮系統(tǒng)

2023-01-06 13:18劉家瑋鄭力嘉楊鈺蕙蔡文聰
大學(xué)物理 2022年11期
關(guān)鍵詞:電磁炮彈體炮彈

陳 楠,劉家瑋,鄭力嘉,楊鈺蕙,蔡文聰,彭 力,2

(1. 華南師范大學(xué) 物理與電信工程學(xué)院,廣東 廣州 510006;2. 華南師范大學(xué) (清遠(yuǎn))科技創(chuàng)新研究院有限公司,廣東 清遠(yuǎn) 511517)

電磁炮作為發(fā)展中的高技術(shù)兵器,其軍事用途十分廣泛,是未來一種先進(jìn)的武器,目前主要運(yùn)用于發(fā)射低速物體.各國研究者對電磁炮的發(fā)射優(yōu)化進(jìn)行了許多研究,也取得了很多進(jìn)展,但還存在發(fā)射速度不高、攻擊模式單一、打擊精確度不夠等缺陷[1].

本文結(jié)合電磁學(xué)中“電生磁”的物理原理,利用二維舵機(jī)炮臺和OpenMV攝像頭等部件,設(shè)計出了可以滿足顏色識別模式和定點(diǎn)擊打模式的多模式小型高精度電磁炮,該電磁炮具有制作簡單、小型便攜、擊打精度高等優(yōu)點(diǎn).另外,通過對電磁炮發(fā)射原理的分析,有利于加深學(xué)生對通電螺線管中磁場分布和鐵磁物質(zhì)在磁場中受力情況的理解,該裝置亦可作為電磁學(xué)相關(guān)內(nèi)容教學(xué)的實(shí)驗(yàn)演示裝置.

1 電磁炮發(fā)射原理

1.1 磁動力加速原理

磁阻式線圈炮是利用給線圈通電后,線圈的鐵磁磁路的磁阻發(fā)生變化,能夠吸引鐵磁彈體運(yùn)動的原理,來加速鐵磁體彈體,示意圖如圖 1.它由環(huán)繞于炮膛的一系列固定的加速線圈、鐵磁體彈體、儲能電容以及開關(guān)等電路元件組成.按下開關(guān),固定的加速線圈中會有電流通過,線圈內(nèi)部產(chǎn)生磁場,對彈體產(chǎn)生吸引力,將彈體加速射出.

圖1 彈體發(fā)射示意圖

當(dāng)線圈通電時,線圈的內(nèi)外就有了磁感應(yīng)線分布,其磁勢分布為出入口高內(nèi)部低,線圈外的鐵磁彈體被拉向中心.

以如圖2所示的模型來分析彈體所獲得的能量.在恒定外磁場的作用下, 將其視為一繞彈體中心軸為對稱軸的圓電流體[2].彈體在線圈所產(chǎn)生的磁場中的受力分析可簡化為通電圓線圈之間的受力問題, 此時彈體線圈模型中的圓電流的方向應(yīng)該與線圈中的圓電流的方向一致.

圖2 線圈加速原理圖

首先考慮線圈(半徑為r1) 中第i圈電流環(huán)對彈體 (半徑為r2) 產(chǎn)生的作用.彈體中心距線圈第i圈電流環(huán)中心的距離為Ri, 現(xiàn)考慮第i圈電流環(huán)在彈體M2(θ,θ,r2) 處并垂直于I2方向所產(chǎn)生的磁場分量,為簡化設(shè)M1(r1cosθ,-Ri,r1sinθ)為第i圈電流環(huán)上的一點(diǎn), 如圖3所示.

圖3 電流方向示意圖

由畢奧-薩伐爾定律可得

(1)

其中

第i圈電流環(huán)對整個彈體的作用力可用下式得到

(2)

彈體由原點(diǎn)運(yùn)動到線圈時,第i圈電流環(huán)對彈體所做的功,或者此時彈體所獲得的動能為

(3)

線圈對彈體做的總功為

(4)

所以質(zhì)量為m的彈體出射速度為

(5)

根據(jù)對電磁炮發(fā)射原理的理論分析,我們能夠得到彈體的出射速度與電流大小(即電容電壓)、螺線管長度、磁場強(qiáng)度等有關(guān),且速度大小與電壓大小成線性相關(guān).

1.2 理論計算與誤差分析

該裝置所采用的半徑為3 mm、質(zhì)量約為0.9 g的磁性彈體,規(guī)格為300匝、半徑1 cm、長度為8 cm、電阻為0.3 Ω的繞制線圈. 通過理論計算得到,當(dāng)電容電壓為255 V情況下彈體理論速度為32.75 m/s,在實(shí)驗(yàn)中得到實(shí)際速度為20.62 m/s,誤差為37.0 %.

對理論和實(shí)際速度誤差進(jìn)行分析,我們認(rèn)為有以下2點(diǎn)原因:1)實(shí)際發(fā)射過程中,電解電容無法完全放電,能量利用率較低;2)在彈體高速射出過程中,存在空氣阻力對彈體做負(fù)功.

2 裝置硬件部分設(shè)計

2.1 電磁炮整體設(shè)計

該裝置主要由控制部分和發(fā)射部分構(gòu)成,控制部分電路包含STM32單片機(jī)、可視屏幕、矩陣鍵盤、充電放電開關(guān)、電源,可對電磁炮的模式和擊打目標(biāo)進(jìn)行選擇;發(fā)射部分電路包含450 V、1 000 μF電容、線圈、升壓模塊、舵機(jī)和攝像頭,接受指令后對目標(biāo)進(jìn)行識別和發(fā)射位置的調(diào)整,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彈丸的發(fā)射.裝置整體設(shè)計3D仿真圖和實(shí)體圖,見圖4、圖5. 其中,發(fā)射部分主要由充電回路和放電回路構(gòu)成,發(fā)射采用三級線圈發(fā)射來增大出膛速度,三級發(fā)射電路圖如6所示.

圖4 裝置3D仿真圖

圖5 裝置實(shí)體圖

充電回路由11.1 V的直流電源、升壓模塊、橋式整流二極管、限流電阻、電解電容、控制按鈕、STM32單片機(jī)構(gòu)成.充電部分通過編程,讓用戶按下按鈕后,直流電源會經(jīng)過升壓器對電容進(jìn)行充電.

放電回路由電解電容、線圈、光電開關(guān)、控制按鈕、可控硅構(gòu)成.當(dāng)需要進(jìn)行發(fā)射時,按下控制按鈕來控制可控硅開關(guān),使第1個電容開始放電,第1個線圈內(nèi)產(chǎn)生磁場,彈丸便在磁場的作用下開始運(yùn)動,當(dāng)炮彈經(jīng)過第1個光電開關(guān)瞬間,紅外傳感器發(fā)出的紅外光線被彈丸遮擋,光敏二極管截至,輸出由低電平轉(zhuǎn)為高電平,相當(dāng)于再一次按下控制開關(guān),第2個電容進(jìn)行放電,第2個線圈產(chǎn)生磁場.以此反復(fù),直到彈丸經(jīng)過三級線圈射出炮管[3].

圖6 三級發(fā)射電路圖

2.2 顏色識別處理模塊設(shè)計

2.2.1 顏色識別硬件設(shè)計

實(shí)驗(yàn)設(shè)計的目標(biāo)靶定位裝置以O(shè)penMV4-H7攝像頭為核心,該攝像頭由OV7725、MT9V03x全球快門傳感器和 FLIR Lepton 1、2和3熱傳感器組成. 如圖7所示.

圖7 OpenMV4圖示

OpenMV 攝像頭的識別原理為,在其視野范圍內(nèi)識別并定位出目標(biāo)環(huán)形靶,并將其中心點(diǎn)坐標(biāo)通過串口傳送給 STM32單片機(jī),STM32單片機(jī)數(shù)據(jù)解析成功后,計算出其與圖像中心的像素坐標(biāo)差,作為自動控制算法(PID)[4]調(diào)節(jié)的輸入變量值,并將PID 調(diào)節(jié)的輸出值賦給舵機(jī)云臺的脈沖寬度(PWM),控制舵機(jī)云臺轉(zhuǎn)動直至模擬電磁炮炮筒正對目標(biāo)環(huán)形靶中心.

2.2.2 顏色識別追蹤程序設(shè)計

對于顏色識別追蹤程序,我們先讓攝像頭識別當(dāng)前環(huán)境,得到圖像,對圖像中顏色進(jìn)行提取分類處理,再將各個不同顏色的閾值記錄在顏色識別追蹤程序中,對應(yīng)特定的顏色.當(dāng)用戶選擇需要識別追蹤的顏色后,STM32單片機(jī)將信息傳輸給OpenMV,OpenMV提取預(yù)處理所設(shè)定的顏色閾值,再不斷與當(dāng)前環(huán)節(jié)顏色進(jìn)行比對,來捕捉到我們選擇的顏色,最后通過與舵機(jī)的一體化來控制舵機(jī)追蹤和瞄準(zhǔn)[3].

2.3 旋轉(zhuǎn)瞄準(zhǔn)模塊設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)采用 DS3115 舵機(jī)作為二維舵機(jī)炮臺系統(tǒng)的核心,該舵機(jī)由電路板、驅(qū)動馬達(dá)、減速器與位置檢測元件構(gòu)成. 該舵機(jī)云臺如圖8所示.

圖8 DS3115舵機(jī)及云臺

在對目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)的過程中,OpenMV 根據(jù)接收到的圖像位置輸出信號給舵機(jī),舵機(jī)內(nèi)部的馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動,通過減速齒輪將動力傳至擺臂,同時由位置檢測器送回信號,判斷是否已到達(dá)合適位置,通過上述過程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對目標(biāo)的瞄準(zhǔn)過程.

3 主體程序設(shè)計

根據(jù)我們的設(shè)計,主體程序會控制兩種模式的選擇和切換,控制過程中,通過屏幕來顯示,通過矩陣鍵盤進(jìn)行選擇和輸入[5]. 具體流程如圖9所示. 在主體程序控制下,我們做到可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)坐標(biāo)擊打和顏色識別追蹤2種模式.

1) 定點(diǎn)坐標(biāo)擊打模式下,用戶通過鍵盤輸入需要擊打位置的X、Y坐標(biāo),單片機(jī)將信號傳輸給舵機(jī)來控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度,待舵機(jī)穩(wěn)定瞄準(zhǔn)后,用戶按下發(fā)射開關(guān)完成發(fā)射.

2) 顏色識別追蹤模式下,用戶通過鍵盤選擇需要擊打的顏色后,單片機(jī)將信號傳輸給OpenMV攝像頭,OpenMV攝像頭接收到指令后,將識別所選顏色,再通過與舵機(jī)通信實(shí)現(xiàn)一體化來控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn).對顏色識別追蹤過程中,通過PID算法[4]不斷將指定顏色中心與圖像中心進(jìn)行比較,得到偏移量的反饋后再使舵機(jī)進(jìn)行方向上的調(diào)整,最終使顏色中心和圖像中心重合,即完成瞄準(zhǔn).瞄準(zhǔn)后也為用戶按下發(fā)射開關(guān)發(fā)射.

圖9 主體程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

4.1 炮彈發(fā)射位置對于電磁炮射程測試

在設(shè)計電磁炮過程中,我們多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)炮彈放置的位置對于電磁炮射程有一定影響,因此本文通過設(shè)計實(shí)驗(yàn),改變炮彈發(fā)射位置并記錄射程,尋找小球最合適的發(fā)射位置,示意圖如圖10.

圖10 炮彈在炮管內(nèi)不同位置3D仿真圖

我們從炮管底部向上每隔0.5 mm取一次發(fā)射位置,直至彈體因能量不足無法射出時停止取點(diǎn). 經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)并取平均值,得到圖11的相關(guān)曲線. 從圖中我們可以近似看出圖像呈倒V狀,在9 mm處射程達(dá)到峰值25.57 m.

圖11 炮彈在線圈內(nèi)不同位置射程的變化圖

4.2 電磁炮性能分析

4.2.1 穩(wěn)定性分析

電磁炮的供電電壓為11.1 V,經(jīng)過升壓模塊升壓后的電壓達(dá)到255 V,舵機(jī)的供電電壓為6 V,充放電所需時間約為2 s.

顏色識別模式中,若無其他顏色干擾的情況下,電磁炮識別追蹤目標(biāo)顏色,且待舵機(jī)穩(wěn)定所需時間約為2 s;坐標(biāo)定點(diǎn)擊打模式中,輸入坐標(biāo)后,舵機(jī)穩(wěn)定所需時間約為3 s.

4.2.2 電容效率計算

根據(jù)實(shí)際出射速度20.62 m/s,再利用電容儲能計算公式E=0.5CU2和炮彈動能計算公式E=1/2mv2,可計算出電容的平均能量使用效率為0.20 %.

4.2.3 擊打準(zhǔn)確性分析

對于電磁炮擊打準(zhǔn)確性的測試在距離目標(biāo)靶1~1.5 m、1.5~2 m、2~2.5 m、2.5~3 m分別進(jìn)行測試,在測試中我們隨機(jī)選擇兩種模式進(jìn)行50次擊打測試,記錄電磁炮每次擊中位置與目標(biāo)圓圓心的距離.

再參考彈道學(xué)中一種測量武器精確度的方式——圓形公算誤差(CEP)來進(jìn)行精確度的描述,如圖12所示,其中(a)、(b)、(c)、(d)分別為4種擊打距離的概率誤差圖.

圖12 概率誤差圖

對4個概率圖分析后發(fā)現(xiàn),當(dāng)擊打距離越近,電磁炮的精度越高,在1~1.5 m的擊打距離下,有51%的炮彈打在了半徑為0.97 cm的圓內(nèi),理想精度為±0.97 cm,另外49 %的炮彈打在了半徑為1.35 cm的圓內(nèi),總體精度為±1.35 cm.隨著擊打距離的增加,炮彈擊打精度略微下降,但整體仍較為準(zhǔn)確.對于擊打誤差的增加,我們分析是由于距離越近OpenMV對目標(biāo)點(diǎn)中心識別的精度越高,使舵機(jī)更好瞄準(zhǔn)目標(biāo)中心.

5 結(jié)束語

本文所提出的電磁炮系統(tǒng),具有顏色識別與追蹤功能和定點(diǎn)精確擊打功能,滿足了電磁炮在軍事使用中的實(shí)用性.該電磁炮還可以廣泛運(yùn)用于學(xué)科教學(xué),增強(qiáng)學(xué)生對電磁場和電路設(shè)計方面的知識.

除此之外,該電磁炮系統(tǒng)還有進(jìn)一步改進(jìn)的空間,增加與其他模塊的互通進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)功能多樣性,例如可在舵機(jī)與炮管下方增加智能車模塊,讓裝置在一定范圍內(nèi)進(jìn)行移動減少電磁炮位置限制.

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