防抖動(dòng)手槍自檢測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)研究

吳 臣，楊 臻

(中北大學(xué)，太原 030051)

手槍是一種單手握持瞄準(zhǔn)射擊或本能射擊的短槍管武器，通常為隨身攜帶，用在50 m 近程內(nèi)自衛(wèi)和突然襲擊敵人。在手槍射擊時(shí)，手槍通常是無(wú)依托射擊，槍體重心在身體前方并隔身體較遠(yuǎn)，槍體晃動(dòng)較大; 手槍的射擊偏差量要比其他武器大得多;手槍重量輕，體積小，而動(dòng)扳機(jī)力大，擊發(fā)時(shí)容易形成用力不均和猛扣扳機(jī)現(xiàn)象，從而造成手槍劇烈晃動(dòng)，導(dǎo)致手槍射擊之時(shí)動(dòng)破壞了瞄準(zhǔn)基線; 使彈著點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)偏移，嚴(yán)重影響射擊精度。因此通過(guò)采用電機(jī)控制槍管擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)在射擊過(guò)程中補(bǔ)償手槍抖動(dòng)引起的射角誤差的防抖手槍是解決手槍射擊抖動(dòng)的一種新思路。

1 防抖手槍工作原理

防抖手槍是一種通過(guò)調(diào)整槍管射角補(bǔ)償射擊時(shí)手槍縱向抖動(dòng)的短槍管武器。其動(dòng)作原理(圖1)是通過(guò)扣動(dòng)扳機(jī)時(shí)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，陀螺儀記錄槍管口部角度初始坐標(biāo)值，在扳機(jī)歸位之前陀螺儀檢測(cè)每一時(shí)刻的相對(duì)角度數(shù)據(jù)，并通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行解算出該時(shí)刻步進(jìn)電機(jī)(SM10)的補(bǔ)償量，電機(jī)通過(guò)絲杠推動(dòng)頂桿進(jìn)行槍管角度補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)。進(jìn)而降低槍管射擊時(shí)與瞄準(zhǔn)時(shí)出現(xiàn)的角度差進(jìn)而提高手槍射擊精度。

2 控制方案設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)的補(bǔ)償是通過(guò)脈沖步進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模罁?jù)步進(jìn)電機(jī)的這種工作方式在控制方案設(shè)計(jì)時(shí)可選用開(kāi)環(huán)速度補(bǔ)償或閉環(huán)角度補(bǔ)償兩種方式。

速度補(bǔ)償:單片機(jī)依據(jù)每一個(gè)取值時(shí)刻的角度變化，解算出該時(shí)間段的電機(jī)補(bǔ)償脈沖數(shù)，并在下一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償;

角度補(bǔ)償:單片機(jī)依據(jù)每一取值時(shí)刻的角度變化位移，和電機(jī)頂桿已經(jīng)補(bǔ)償?shù)慕嵌龋瑑烧哌M(jìn)行求差，求出下一時(shí)刻的電機(jī)補(bǔ)償量。

圖1 防抖手槍控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 控制方案分析

為了研究手槍射擊抖動(dòng)量，本文針對(duì)某軍教學(xué)院教官與學(xué)員對(duì)92 式手槍射擊時(shí)槍管縱向抖動(dòng)量進(jìn)行測(cè)試，得出測(cè)試曲線如圖2 所示。

圖2 教官(實(shí)線)與學(xué)員(虛線)槍管抖動(dòng)曲線

2.1.1 控制案研究方式

通過(guò)圖2 可知學(xué)員射擊過(guò)程中槍管抖動(dòng)變化劇烈而且幅值大，為了測(cè)試控制方案電機(jī)補(bǔ)償特性，本文擬用學(xué)員測(cè)試時(shí)手槍抖動(dòng)曲線進(jìn)行各補(bǔ)償特性分析，再進(jìn)行對(duì)教官射擊時(shí)抖動(dòng)曲線進(jìn)行分析。

在分析過(guò)程中通過(guò)式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換為電機(jī)需要補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)曲線。

式(1)中:φ 為電機(jī)需要補(bǔ)償角度;θ 為槍管抖動(dòng)角度;L 為槍管回轉(zhuǎn)軸到電機(jī)絲杠頂桿的距離;X 為電機(jī)絲杠的螺距。

2.2 建立控制系統(tǒng)模型

利用Simulink 構(gòu)建步進(jìn)電機(jī)控制模型如圖3 所示，對(duì)試驗(yàn)采集的槍管的抖動(dòng)曲線轉(zhuǎn)換為電機(jī)需要補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)曲線(圖5、圖7 中的虛線)，進(jìn)行信號(hào)處理生成相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)脈沖序列信號(hào)signal 1、電機(jī)轉(zhuǎn)向脈沖序列signal 2，(圖4、圖6)步進(jìn)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩為補(bǔ)償過(guò)程中槍管轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的負(fù)載值。

圖3 防抖手槍控制系統(tǒng)simulink 模型

圖4 速度補(bǔ)償控制脈沖signal1 與signal2

圖5 速度補(bǔ)償曲線與目標(biāo)曲線對(duì)比

圖6 電機(jī)控制脈沖signal1 與signal2

圖7 角度補(bǔ)償系統(tǒng)曲線與目標(biāo)曲線對(duì)比

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 學(xué)員射擊時(shí)速度補(bǔ)償

對(duì)于每個(gè)步進(jìn)角時(shí)間內(nèi)計(jì)算出該時(shí)間間隔內(nèi)電機(jī)需要補(bǔ)償脈沖數(shù)，控制方式采用半角法即不足半個(gè)步長(zhǎng)角siganl 1 =0 超過(guò)半個(gè)補(bǔ)償角時(shí)signal1 =1 電機(jī)進(jìn)行一個(gè)脈沖補(bǔ)償。signal 2 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

2.3.2 學(xué)員射擊時(shí)角度跟隨補(bǔ)償

雖然步進(jìn)電機(jī)速度補(bǔ)償方式可以減少再射擊過(guò)程中的槍管抖動(dòng)量，采用定時(shí)復(fù)位控制方式可以槍管起始位置理論情況下一致。但是實(shí)際補(bǔ)償過(guò)程中步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)的“失步”現(xiàn)象必然導(dǎo)致電機(jī)不能正常歸位。采用閉環(huán)反饋控制的角度跟隨補(bǔ)償方式就可以解決失步問(wèn)題。

在射擊過(guò)程中計(jì)算時(shí)刻采集槍管抖動(dòng)角度與電機(jī)已補(bǔ)償量的差值，差值為正電機(jī)正傳差值為負(fù)電機(jī)反轉(zhuǎn)，差值為0電機(jī)不轉(zhuǎn)。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電機(jī)補(bǔ)償跟隨。

2.3.3 教官射擊時(shí)電機(jī)補(bǔ)償分析

依據(jù)a、b 中信號(hào)處理方式對(duì)教官射擊時(shí)抖動(dòng)曲線轉(zhuǎn)換為電機(jī)補(bǔ)應(yīng)償量曲線(圖8、圖9 虛線)進(jìn)行控制脈沖信號(hào)處理，分別采用開(kāi)環(huán)速度控制與閉環(huán)角度控制分析兩種方式下系統(tǒng)補(bǔ)償曲線(圖8、圖9 中實(shí)線)。

圖8 教官射擊時(shí)速度補(bǔ)償系統(tǒng)曲線與目標(biāo)曲線對(duì)比

圖9 教官射擊時(shí)角度補(bǔ)償系統(tǒng)曲線與目標(biāo)曲線對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)在兩種控制方式下學(xué)員射擊時(shí)補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償曲線對(duì)比可確定補(bǔ)償系統(tǒng)在抖動(dòng)幅度較大狀態(tài)下不同控制方式的補(bǔ)償性能。為該武器系統(tǒng)的較大抖動(dòng)環(huán)境下的系統(tǒng)特性分析提供依據(jù)。

通過(guò)對(duì)比教官射擊時(shí)不同方式抖動(dòng)補(bǔ)償曲線(圖8、圖9、圖10)可知角度閉環(huán)控制系統(tǒng)要比速度開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)在技術(shù)較好的射手使用下有很好的跟蹤性能和補(bǔ)償精度。

圖10 教官射擊時(shí)補(bǔ)償誤差對(duì)比

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