防抖動手槍自檢測與補償系統(tǒng)研究

吳 臣，楊 臻

(中北大學，太原 030051)

手槍是一種單手握持瞄準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，手槍通常是無依托射擊，槍體重心在身體前方并隔身體較遠，槍體晃動較大; 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，而動扳機力大，擊發(fā)時容易形成用力不均和猛扣扳機現(xiàn)象，從而造成手槍劇烈晃動，導(dǎo)致手槍射擊之時動破壞了瞄準基線; 使彈著點與目標點偏移，嚴重影響射擊精度。因此通過采用電機控制槍管擺動實現(xiàn)在射擊過程中補償手槍抖動引起的射角誤差的防抖手槍是解決手槍射擊抖動的一種新思路。

1 防抖手槍工作原理

防抖手槍是一種通過調(diào)整槍管射角補償射擊時手槍縱向抖動的短槍管武器。其動作原理(圖1)是通過扣動扳機時觸發(fā)行程開關(guān)，陀螺儀記錄槍管口部角度初始坐標值，在扳機歸位之前陀螺儀檢測每一時刻的相對角度數(shù)據(jù)，并通過單片機進行解算出該時刻步進電機(SM10)的補償量，電機通過絲杠推動頂桿進行槍管角度補償運動。進而降低槍管射擊時與瞄準時出現(xiàn)的角度差進而提高手槍射擊精度。

2 控制方案設(shè)計

步進電機的補償是通過脈沖步進行補償?shù)?，依?jù)步進電機的這種工作方式在控制方案設(shè)計時可選用開環(huán)速度補償或閉環(huán)角度補償兩種方式。

速度補償:單片機依據(jù)每一個取值時刻的角度變化，解算出該時間段的電機補償脈沖數(shù)，并在下一時間段內(nèi)進行補償;

角度補償:單片機依據(jù)每一取值時刻的角度變化位移，和電機頂桿已經(jīng)補償?shù)慕嵌龋瑑烧哌M行求差，求出下一時刻的電機補償量。

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量，本文針對某軍教學院教官與學員對92 式手槍射擊時槍管縱向抖動量進行測試，得出測試曲線如圖2 所示。

圖2 教官(實線)與學員(虛線)槍管抖動曲線

2.1.1 控制案研究方式

通過圖2 可知學員射擊過程中槍管抖動變化劇烈而且幅值大，為了測試控制方案電機補償特性，本文擬用學員測試時手槍抖動曲線進行各補償特性分析，再進行對教官射擊時抖動曲線進行分析。

在分析過程中通過式(1)進行轉(zhuǎn)換為電機需要補償?shù)哪繕饲€。

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

2.2 建立控制系統(tǒng)模型

利用Simulink 構(gòu)建步進電機控制模型如圖3 所示，對試驗采集的槍管的抖動曲線轉(zhuǎn)換為電機需要補償?shù)哪繕饲€(圖5、圖7 中的虛線)，進行信號處理生成相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)動脈沖序列信號signal 1、電機轉(zhuǎn)向脈沖序列signal 2，(圖4、圖6)步進電機輸入轉(zhuǎn)矩為補償過程中槍管轉(zhuǎn)動對電機產(chǎn)生的負載值。

圖3 防抖手槍控制系統(tǒng)simulink 模型

圖4 速度補償控制脈沖signal1 與signal2

圖5 速度補償曲線與目標曲線對比

圖6 電機控制脈沖signal1 與signal2

圖7 角度補償系統(tǒng)曲線與目標曲線對比

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 學員射擊時速度補償

對于每個步進角時間內(nèi)計算出該時間間隔內(nèi)電機需要補償脈沖數(shù)，控制方式采用半角法即不足半個步長角siganl 1 =0 超過半個補償角時signal1 =1 電機進行一個脈沖補償。signal 2 控制電機的轉(zhuǎn)向。

2.3.2 學員射擊時角度跟隨補償

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

在射擊過程中計算時刻采集槍管抖動角度與電機已補償量的差值，差值為正電機正傳差值為負電機反轉(zhuǎn)，差值為0電機不轉(zhuǎn)。進而實現(xiàn)電機補償跟隨。

2.3.3 教官射擊時電機補償分析

依據(jù)a、b 中信號處理方式對教官射擊時抖動曲線轉(zhuǎn)換為電機補應(yīng)償量曲線(圖8、圖9 虛線)進行控制脈沖信號處理，分別采用開環(huán)速度控制與閉環(huán)角度控制分析兩種方式下系統(tǒng)補償曲線(圖8、圖9 中實線)。

圖8 教官射擊時速度補償系統(tǒng)曲線與目標曲線對比

圖9 教官射擊時角度補償系統(tǒng)曲線與目標曲線對比

3 結(jié)論

通過在兩種控制方式下學員射擊時補償系統(tǒng)的補償曲線對比可確定補償系統(tǒng)在抖動幅度較大狀態(tài)下不同控制方式的補償性能。為該武器系統(tǒng)的較大抖動環(huán)境下的系統(tǒng)特性分析提供依據(jù)。

通過對比教官射擊時不同方式抖動補償曲線(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償精度。

圖10 教官射擊時補償誤差對比

［1］沈宏斌，韓稼梓，魏俊杰.影響手槍射擊成績的主要因素分析［J］.空軍雷達學院學報，2007，21(2):15-18.

［2］高列兵.手槍射擊時槍“點頭”的成因及對策［J］.警察實戰(zhàn)訓練研究，2015(10):57-59.

［3］蘇宗保，趙渝江，楊臻.身管受力對射擊精度的影響［J］.測試技術(shù)學報，2014(2S):105-107.

［4］張毅剛.新編MCS -51 單片機應(yīng)用設(shè)計［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2003.

［5］胡光銳. 數(shù)字信號處理——理論、算法與實現(xiàn)［M］. 北京:清華大學出版社，1977.

［6］李穎.Simulink 動態(tài)系統(tǒng)建模與仿真［M］.2 版.西安:西安電子科技大學出版社，2009.

［7］張德豐.Matlab/Simulink 建模與仿真實例精講［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［8］丁美玉，高西全.數(shù)字信號處理［M］.2 版.西安:西安電子科技大學出版社，2001.

［9］Buck J R，Daniel M M.Siner A C.Computer Explorations in Signals and Systems Using MATLAB［M］.Prentice，1997.

［10］William J.Palm，Introduction to MATLAB 6 for Engineers，McGraw-Hill Higher Education，2001.