CC BY
202
ГОЛИЦЫН1 Александр Андреевич
механизм ввода поправок
в прицельный знак цифровых
и тепловизионных прицелов для стрелкового оружия на базе датчика направления магнитного поля
Рассмотрены варианты ввода поправок в прицелШыи знак цифровогоили тепловизионного прицеладля стрелкового оружия. Описаны, требования, предъявляемые к механизмам ввода поправок. Предложена конструкция, механизма ввода поправок на базе магнитного энкодера, описан алгоритм, его работы..
Ключевые слова: тепловизионныи прицел, цифровой прицел, механизм, ввода поправок, датчик направления, магнитного поля.
The article considers qualifying standards of the controls which can be used for inserting the correction values into the reticle of the thermal sight and submits the design of turret control based, on magnetic rotary encoder. The product design and its electronic circuit activity algorithm are described.
Keywords: digital sight, thermal sight, correction, magnetic rotary encoder.
В конструкцию классических оптических прицелов для стрелового оружия обычно входят два маховичка, используемые для смещения прицельной сетки в поле зрения прибора по вертикали и горизонтали (рис. 1). Смещение необходимо для осуществления пристрелки прицела, а также для обеспечения ввода поправок на условия стрельбы [1]. На корпусе маховичка обычно имеется шкала с делениями и соответствующими цифрами. Например, на верхнем маховичке прицела ПСО-1 деления обозначают дальности стрельбы в сотнях метров, а на боковом маховичке деления соответствуют значениям боковых поправок в тысячных.
Конструкция тепловизионных прицелов и цифровых прицелов видимого диапазона, представляющих собой электронные устройства, не предполагает наличия механизмов смещения
прицельной сетки, т.к. изображение прицельного знака и шкалы в таких приборах строится электронно непосредственно на дисплее прибора. Тем не менее для обеспечения пристрелки и учета поправок на условия стрельбы цифровые прицелы нуждаются в возможности смещения прицельного знака, и соответственно таким прицелам необходимы органы управления, позволяющие управлять смещением. Целью работы являлась разработка устройства ввода поправок в прицельный знак цифрового прицела, по форме напоминающего механизмы ввода поправок классических оптических прицелов. При разработке были приняты во внимание несколько требований, которым разрабатываемый механизм должен удовлетворять — простота использования, наличие защиты от самосрабатывания, герметичность конструкции, относительная
' - Филиал ИФП СО РАН «КТИПМ», г. Новосибирск, ст. инженер-электроник
Рис. 1. Внешний вид маховичков ввода поправок оптического прицела
прочность и устойчивость к ударам, а также тактильность. Механизм должен быть тактильным, чтобы стрелок,
a б
Рис. 2. Внешний вид органов управления прицелов AN/PAS-13D (а) и ATN ThOR-320 (б). Видны характерные борта вокруг кнопок, препятствующие
непроизвольному нажатию
пользуясь данным механизмом, ощущал обратную связь с ним. При этом не должно иметь значения, вводится поправка голой рукой или в перчатке.
Обоснование выбора конструкции механизма ввода поправок
Существует несколько способов управления электронным прибором: с помощью кнопок, с помощью джойстика и с помощью колеса прокрутки. Колесо прокрутки может иметь форму барабанчика по аналогии с маховичками оптического прицела либо может быть углублено внутрь корпуса прицела по аналогии с колесом прокрутки мыши персонального компьютера. Джойстик в качестве управляющего органа прицела не может быть применен, так как он не защищен от самосрабатывания — случайное касание им окружающих предметов или одежды может привести к нежелательным изменениям параметров прибора. Колесо прокрутки, аналогичное «мышиному», также обладает недостатками, среди которых расход внутреннего объема прибора и проблема обеспечения герметичности конструкции.
Большинство современных электронных прицелов в качестве органов управления имеют кнопки. На рис. 2 в качестве примера изображены панели прицелов AN/PAS-13D и ATN ThOR-320. Недостатками использования кнопок является необходимость использования двух кнопок для управления одним параметром — «увеличить» и «уменьшить». Для уменьшения занимаемой органами управления прибора площади поверхности несколько параметров могут управляться тремя кнопками «увеличить», «уменьшить» и «выбор», а не парой кнопок на каждый параметр, но такой подход может быть применен только для управления параметрами, не требующими оперативности, и поэтому для управления вводом поправок не желателен. Для обеспечения тактильности кнопки должны иметь достаточную площадь, для того чтобы их можно было нажимать не только голыми пальцами, но также в зимних перчатках. При этом должна исключаться возможность случайного одновременного нажатия нескольких кнопок пальцем зимней перчатки.
Также кнопки должны отличаться друг от друга на ощупь, чтобы имелась возможность вводить поправки, не отрывая взгляд от окуляра прибора. По сравнению с кнопками устройства вводов поправок в форме барабанчиков имеют несколько преимуществ. Барабанчики защищены от случайного срабатывания наличием устойчивых положений — для того чтобы повернуть маховичок, необходимо приложить к нему некоторое усилие. Барабанчик проще в использовании, чем кнопки, более тактильный, и ввод поправок с его помощью получается более оперативным, чем ввод с помощью кнопок. Кроме того, по отзывам многих стрелков, ввод поправок с помощью барабанчика является более предпочтительным по причине привычки его использования на классических оптических прицелах. Недостатком барабанчиков является их большая масса по сравнению с кнопками и больший объем, однако включение барабанчика в конструкцию прицела увеличивает его массогабаритные характеристики незначительно.
Описание конструкции механизма
При разработке механизма ввода поправок для экспериментального цифрового прицела учитывались следующие требования: обеспечение герметичности конструкции, возможность бесконечного вращения маховичка вокруг оси, обеспечение наименьшего занимаемого объема механизмом внутри прицела, наличие устойчивых
положений маховичка, необходимых для обеспечения защиты от самопо-произвольного вращения, а также для обеспечения обратной связи маховичка со стрелком за счет ощущения им «щелчков».
Существует несколько способов измерения положения барабанчика: в конструкции механизма поправок может быть использован многопозиционный переключатель, переменный резистор, микропереключатель, срабатывающий в момент поворота маховичка, оптический энкодер и магнитный энкодер. Переключатели, переменный резистор и оптический энкодер менее предпочтительны, так как при их использовании возникает необходимость дополнительного усложнения конструкции механизма ввода поправок для обеспечения его герметичности за счет ввода в конструкцию сальников и прокладок. Применение же магнитного энкодера, представляющего собой отдельные магнит и датчик, расположенные по разные стороны стенки корпуса прибора, обеспечивает герметичность прибора и при этом экономит занимаемый конструкцией объем. Изображение разработанного механизма ввода поправок на базе магнитного энкодера представлено на рис. 3. Корпус механизма ввода поправок состоит из нескольких деталей. Основание (1) образуется непосредственно из стенки корпуса прицела (2). Внутренняя поверхность основания ребристая, представляет собой многолучевую звезду. К основанию резьбовым соединением крепится крышка (3), предотвращающая выпадение барабанчика
Рис. 3. Изображение механизма ввода поправок в разрезе
Рис. 4. Магниты с аксиальным (а) и диаметральным (б) направлением поля
(4). От самопроизвольного выкручивания крышка может быть зафиксирована с помощью шпильки. В боковой поверхности барабанчика имеется отверстие, в которое помещается шарик с пружиной. Шарик и ребристая поверхность основания играют роль стопора, фиксирующего положение барабанчика в заданном положении и обеспечивающего дискретность ввода поправок. В нижней части барабанчика предусмотрена полость, в которую помещается постоянный магнит в форме шайбы (5), прикрепляемый с помощью клея. Сверху к барабанчику тремя винтами крепится маховчок (6), имеющий для удобства вращения ребристую внешнюю поверхность. Маховичок одновременно является деталью, защищающей механизм ввода поправок от попадания внутрь пыли. С обратной стороны стенки прицела, непосредственно под магнитом, закрепленным на барабанчике, находит-
ся плата (7) с расположенным на ней датчиком (8) магнитного поля. Платы каждого механизма ввода поправок с помощью кабелей соединяются с основной платой прицела. За счет того, что подвижные детали механизма ввода поправок никак не связаны с деталями, находящимися внутри прицела, обеспечивается полная герметичность прибора. В то же время алюминиевый корпус прицела не препятствует прохождению через его стенки силовых линий поля магнита, по направлению которых может быть определено положение маховичка. Следует отметить, что в качестве источника магнитного поля может быть использован только постоянный магнит с диаметральным направлением поля (рис. 4). Магниты с аксиальным направлением поля для измерения положения маховичка не могут быть применены, так как вращение их вокруг своей оси не приводит к изменению
поля вокруг датчика, расположенного под магнитом.
Для экспериментов было изготовлено несколько вариантов механизмов ввода поправок, отличавшихся друг от друга диаметром маховичка и шагом ребер внутренней поверхности основания.
Варианты с диаметром маховичка менее 20 мм оказались не удобны тем, что им для обеспечения тактильности необходим больший шаг ребер внутренней поверхности, т.е. дискретность вращения такого механизма составляет около десяти позиций на один оборот. При большем количестве позиций и соответственно меньшем шаге ребер, вращая маховичок, стрелок не ощущает его «щелчки», таким образом, отсутствует обратная связь между маховичком и стрелком. В то же время, небольшое (около 10) количество позиций маховичка вынуждает при вводе поправки повернуть маховичок более чем на пол-оборота, что двумя пальцами без перехватывания сделать невозможно, а на перехватывание маховичка стрелок тратит дополнительное время. Экспериментально было установлено, что для комфортного ввода поправки махочок должен обладать дискретностью около 20 позиций на один оборот. Варианты с большим, чем 30 мм, диаметром маховичка могут обладать более 40 позициями на один оборот, что является избыточным, и в то же время увеличение диаметра маховичка приводит к увеличению массы механизма ввода поправок и к увеличению занимаемой им площади поверхности корпуса прицела.
Таким образом, оптимальным является диаметр маховичка от 20 до 30 мм. Для использования в экспериментальном цифровом прицеле было принято решение использовать маховичок диаметром 24 мм. Шаг ребер внутренней поверхности основания корпуса механизма ввода поправок был выбран 15°, таким образом, дискретность вращения маховичка составила 24 позиции на один оборот. Такой шаг достаточен для ввода необходимой боковой или вертикальной поправки, и при этом обеспечивается обратная связь маховичка со стрелком за счет ощущения «щелчков» при повороте маховичка.
Определение положения маховичка модулем электроники прибора
Рис. 5. Структурная схема датчика AS5050 с типовым подключением внешнего микроконтроллера
В макетном образце механизма ввода поправок был применен датчик магнитного поля ЛЯ5050 производства Лш1;г1аМ1сго8у81ет8 [2]. Датчик представляет собой законченное устройство, включающее в себя все необходимые для измерения направления магнитного поля модули: четыре датчика Холла, непосредственно участвующие в измерении напряженности поля, усилитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), прецизионный мало-шумящий источник питания датчиков Холла, являющийся также источником опорного напряжения АЦП, аппаратный ЯР1-модуль, осуществляющий связь микросхемы с внешним микроконтроллером, и модуль управления, осуществляющий анализ полученных с АЦП данных, выдачу их по запросу через ЯИ-модуль и генерацию прерываний. Модуль управления имеет несколько управляющих регистров, изменяя значения которых можно изменять режимы работы датчика, несколько статусных регистров, по значениям которых можно судить о текущем режиме работы микросхемы, и регистр, предназначенный для хранения полученных с АЦП данных о направлении внешнего магнитного поля. Взаимное подключение модулей датчика между собой и к внешнему микроконтроллеру схематично изображены на рис. 5 [2]. В цифровом прицеле к одному и тому же микроконтроллеру параллельно по ЯР1-шине подключаются два датчика — один сопряжен с механизмом ввода боковых поправок, второй — с механизмом ввода угла прицеливания.
В качестве внешнего (по отношению к датчикам магнитного поля) микроконтроллера в экспериментальном цифровом прицеле использовался уже имеющийся на плате микроконтроллер, свободные выводы которого были использованы в качестве ЯР1-шины. Протокол обмена данными между микроконтроллером и датчиками, а также схемы подключения датчика, отличные от схемы, изображенной на рис. 5, описаны в [2].
Анализ положения маховичка механизма ввода поправок осуществля-
ется по алгоритму, схематично изображенному на рис. 6. Предположим, что маховичок имеет 24 устойчивых положения с шагом 15°. В начальный момент времени при инициализации микроконтроллера происходит чтение значения направления магнитного поля датчика. Полученное абсолютное значение направления поля X принимается за середину диапазона для сохраненного в памяти до выключения прибора положения маховичка N. За нижнюю границу диапазона принимается значение X — 7,5°, а за верхнюю границу диапазона принимается значение X + 7,5°. Полученное значение выбирается за середину диапазона для того, чтобы за счет погрешности измерения направления магнитного поля и за счет люфта маховичка разброс дальнейших измерений направления поля не превышал границы диапазона, и соответственно не происходило ложных срабатываний функции, определяющей поворот маховичка из одного положения в другое. Далее программно составляется таблица, определяющая диапазон значений положения поля Т[1], соответствующих положению маховичка I = 0, положению I = 1, и т.д. до положения I = 23. Середины диапазонов с некоторой погрешностью значений соответствуют устойчивым положениям маховичка. Следует отметить, что получаемое с датчика значение направления магнитного поля, а также диапазоны значений для таблицы выражаются не в
градусах, а в условных единицах. Так как значение направления поля, получаемое датчиком 10-разрядное, значению 0° соответствует число 0x000, значению 360° соответствует число 0х3РР (в 16-разрядной системе исчисления), а диапазоны значений имеют вид X ± 0x015, где 0x015 соответствует 7,5°. Для того чтобы избежать необходимости работы с отрицательными числами, к каждому значению в таблице, а также к каждому значению, получаемому с датчика, прибавляется значение 0х3РР. После составления таблицы диапазонов значений запускается бесконечный цикл, в котором периодически происходит опрос датчика и определение по таблице значения положения маховичка. В цикле происходит поочередное сравнение полученного с датчика значения направления поля с элементами таблицы. Кроме того, проверяется, не превышает ли данное значение максимально возможное и не меньше ли оно минимального значения таблицы, — в этих случаях к значению добавляется необходимое смещение, равное по модулю 0х3РР. В случае изменения значения положения осуществляется вызов соответствующей функции Р, сообщающей модулю формирования изображения прицельной шкалы (чаще всего реализованному в отдельной микросхеме) величину смещения. Новое значение положения маховичка при этом сохраняется в энергонезависимую РЯЛМ-память прибора.
Начало
' Получение из памяти значения положения маховичка N1
Считывание с датчика значения направления магнитного поляХ
пауза 100 мс
Щ = Х- 0x015 + (/ +1- Л0*ОхЗРБ/24
Считывание с датчика значения X I
V
Х=Х+ 0x3 ББ
выполнить ^(АГ-1) (сообщить об изменении АО/
N=1
щ
сохранить N в память
Рис. 6. Блок-схема алгоритма определения положения маховичка механизма ввода поправок
Период опроса датчика может составлять 100...200 мс, т.е. от 5 до 10 раз за секунду. Такая частота выбрана из соображений, что относительно частое обращение к датчикам ведет к увеличению энергопотребления системы
без увеличения производительности — для относительно быстрой реакции прибора на поворот маховичка вполне достаточно частоты опроса датчиков порядка 5 — 10 раз в секунду. При подключении нескольких датчиков опрос
каждого из них осуществляется в порядке очереди, при этом период опроса остается такой же, т.к. суммарное время опроса каждого датчика [2] и время выполнения действий в соответствии с описанным алгоритмом над полученными с датчиков данными типовым микроконтроллером составляет не более 100 мкс.
Выбор магнита и его расположение относительно датчика
Отдельно следует остановиться на описании магнита, рекомендованного для использования производителем датчика. В [3] для датчиков серии ЛЯ5000 рекомендованы постоянные магниты неодим-железо-бор (№БеВ) или самарий-кобальт (ЯшСо), имеющие форму шайбы высотой 2,5 мм и диаметром 6 мм, с диаметральным направлением магнитного поля.
Магниты ЯшСо являются более устойчивыми к высоким температурам (от 200 °С), но при этом являются более дорогими по сравнению с магнитами №БеВ. Так как температурный диапазон эксплуатации прибора не превышает 50 °С магниты №БеВ являются более предпочтительными. Рекомендованный диаметр шайбы 6 мм обусловлен тем, что такой размер является компромиссным для двух взаимоисключающих параметров системы магнит-датчик. При увеличении диаметра магнита ослабевает получаемый аналоговой частью датчика дифференциальный сигнал и уменьшается его отношение сигнал/шум, таким образом, падает точность измерения. При уменьшении диаметра магнита уменьшается линейность измерений направления поля датчиком и одновременно увеличивается влияние смещения магнита относительно центра датчика. В [3] приводятся графики, из которых следует, что оптимальным является диаметр магнита 6 мм. Также в [3] приводится график зависимости амплитуды получаемого аналоговой частью датчика сигнала от толщины магнита. Для шайбы диаметром 6 мм оптимальным является диапазон толщины от 2,5 до 8 мм. Так как из-за конструктивных особенностей механизма ввода поправок (таких как наличие крепежных винтов и
отдельного отверстия в барабанчике под стопорный шарик с пружиной) высота магнита должна быть как можно меньшей, была выбрана толщина магнита 2,5 мм.
Расстояние от магнита до датчика выбирается из условий, что напряженность поля вокруг элементов Холла датчика должна находиться в диапазоне 45...70 мТл. Например, для нео-димовых магнитов диаметром 6 мм и толщиной 2,5 мм марок N35, Ы35И, Ы35И8 оптимальным является расстояние от 1 до 2 мм, для магнитов марок N43 — от 2 до 3 мм. Толщина стенки алюминиевого корпуса цифрового прицела находится в диапазоне от 1
до 1,5 мм. За счет того, что барабанчик механизма ввода поправок прижимается к маховичку и тем самым «повисает» над стенкой корпуса прибора на расстоянии от 0 до 0,5 мм, суммарное расстояние от магнита до датчика находится в диапазоне от 1,5 до 2 мм. Таким образом, в качестве магнита оптимально использовать шайбу марки N35 или Ш5И.
В экспериментальном образце механизма ввода поправок применялся №РеВ магнит марки ВМ№35И производства Вота1ес, имеющий рекомендованные размеры 6x2,5 мм. Магнит имеет никелевое покрытие для защиты от коррозии [4].
Заключение
Предложена конструкция колеса прокрутки, управляющего параметром электронного прибора, на базе магнитного энкодера, описан алгоритм определения положения маховичка. Отличительными особенностями устройства являются его герметичность и наличие устойчивых положений, обеспечивающих дискретность поворота маховичка устройства, защиту от самопроизвольного вращения. Устройство может быть применено в качестве механизма ввода поправок цифрового или тепловизионного прицела для стрелкового оружия Щ
Литература
1. Наставление по стрелковому делу. 7,62-мм снайперская винтовка Драгунова (СВД) — М.: Воениздат, 1984.
2. AS5050 Low Power 10-bit Magnetic Rotary Encoder. Datasheet [Электронный ресурс] — режим доступа: http://www.ams.com/ eng/content/download/109963/664555/68174.
3. AS5000 Series Magnetic Sensor Circuits. Magnet Selection Guide [Электронный ресурс] — режим доступа: http://www.ams. com/eng/content/view/download/13858.
4. AS5000-MD6H-2 Magnet for Rotary Encoder [Электронный ресурс] — режим, доступа: http://www.ams.com/eng/content/ download/14907/272250/12031.
