防抖动手枪自检测与补偿系统研究

吴 臣，杨 臻

(中北大学，太原 030051)

手枪是一种单手握持瞄准射击或本能射击的短枪管武器，通常为随身携带，用在50 m 近程内自卫和突然袭击敌人。在手枪射击时，手枪通常是无依托射击，枪体重心在身体前方并隔身体较远，枪体晃动较大; 手枪的射击偏差量要比其他武器大得多;手枪重量轻，体积小，而动扳机力大，击发时容易形成用力不均和猛扣扳机现象，从而造成手枪剧烈晃动，导致手枪射击之时动破坏了瞄准基线; 使弹着点与目标点偏移，严重影响射击精度。因此通过采用电机控制枪管摆动实现在射击过程中补偿手枪抖动引起的射角误差的防抖手枪是解决手枪射击抖动的一种新思路。

1 防抖手枪工作原理

防抖手枪是一种通过调整枪管射角补偿射击时手枪纵向抖动的短枪管武器。其动作原理(图1)是通过扣动扳机时触发行程开关，陀螺仪记录枪管口部角度初始坐标值，在扳机归位之前陀螺仪检测每一时刻的相对角度数据，并通过单片机进行解算出该时刻步进电机(SM10)的补偿量，电机通过丝杠推动顶杆进行枪管角度补偿运动。进而降低枪管射击时与瞄准时出现的角度差进而提高手枪射击精度。

2 控制方案设计

步进电机的补偿是通过脉冲步进行补偿的，依据步进电机的这种工作方式在控制方案设计时可选用开环速度补偿或闭环角度补偿两种方式。

速度补偿:单片机依据每一个取值时刻的角度变化，解算出该时间段的电机补偿脉冲数，并在下一时间段内进行补偿;

角度补偿:单片机依据每一取值时刻的角度变化位移，和电机顶杆已经补偿的角度，两者进行求差，求出下一时刻的电机补偿量。

图1 防抖手枪控制系统结构

2.1 控制方案分析

为了研究手枪射击抖动量，本文针对某军教学院教官与学员对92 式手枪射击时枪管纵向抖动量进行测试，得出测试曲线如图2 所示。

图2 教官(实线)与学员(虚线)枪管抖动曲线

2.1.1 控制案研究方式

通过图2 可知学员射击过程中枪管抖动变化剧烈而且幅值大，为了测试控制方案电机补偿特性，本文拟用学员测试时手枪抖动曲线进行各补偿特性分析，再进行对教官射击时抖动曲线进行分析。

在分析过程中通过式(1)进行转换为电机需要补偿的目标曲线。

式(1)中:φ 为电机需要补偿角度;θ 为枪管抖动角度;L 为枪管回转轴到电机丝杠顶杆的距离;X 为电机丝杠的螺距。

2.2 建立控制系统模型

利用Simulink 构建步进电机控制模型如图3 所示，对试验采集的枪管的抖动曲线转换为电机需要补偿的目标曲线(图5、图7 中的虚线)，进行信号处理生成相应的电机转动脉冲序列信号signal 1、电机转向脉冲序列signal 2，(图4、图6)步进电机输入转矩为补偿过程中枪管转动对电机产生的负载值。

图3 防抖手枪控制系统simulink 模型

图4 速度补偿控制脉冲signal1 与signal2

图5 速度补偿曲线与目标曲线对比

图6 电机控制脉冲signal1 与signal2

图7 角度补偿系统曲线与目标曲线对比

2.3 仿真结果分析

2.3.1 学员射击时速度补偿

对于每个步进角时间内计算出该时间间隔内电机需要补偿脉冲数，控制方式采用半角法即不足半个步长角siganl 1 =0 超过半个补偿角时signal1 =1 电机进行一个脉冲补偿。signal 2 控制电机的转向。

2.3.2 学员射击时角度跟随补偿

虽然步进电机速度补偿方式可以减少再射击过程中的枪管抖动量，采用定时复位控制方式可以枪管起始位置理论情况下一致。但是实际补偿过程中步进电机出现的“失步”现象必然导致电机不能正常归位。采用闭环反馈控制的角度跟随补偿方式就可以解决失步问题。

在射击过程中计算时刻采集枪管抖动角度与电机已补偿量的差值，差值为正电机正传差值为负电机反转，差值为0电机不转。进而实现电机补偿跟随。

2.3.3 教官射击时电机补偿分析

依据a、b 中信号处理方式对教官射击时抖动曲线转换为电机补应偿量曲线(图8、图9 虚线)进行控制脉冲信号处理，分别采用开环速度控制与闭环角度控制分析两种方式下系统补偿曲线(图8、图9 中实线)。

图8 教官射击时速度补偿系统曲线与目标曲线对比

图9 教官射击时角度补偿系统曲线与目标曲线对比

3 结论

通过在两种控制方式下学员射击时补偿系统的补偿曲线对比可确定补偿系统在抖动幅度较大状态下不同控制方式的补偿性能。为该武器系统的较大抖动环境下的系统特性分析提供依据。

通过对比教官射击时不同方式抖动补偿曲线(图8、图9、图10)可知角度闭环控制系统要比速度开环控制系统在技术较好的射手使用下有很好的跟踪性能和补偿精度。

图10 教官射击时补偿误差对比

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