RU200159U1 - Устройство имитации отдачи при стрельбе - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к игровой технике, а именно к устройствам имитации отдачи при стрельбе, и может применяться в стрелковых тренажерах для обучения навыкам пулевой стрельбы из различных видов оружия, а также в оружии-контроллере для приложений VR, например, для игр в жанре шутеры. Техническим результатом предлагаемого устройства является повышение максимальной мощности двигателя с возможностью регулирования напряжения питания двигателя для реализации различных режимов отдачи. Устройство имитации отдачи при стрельбе содержит корпус, в котором установлены три катушки с концентрической обмоткой, соединенные параллельно и подключенные к источнику питания, якорь, представляющий собой П-образный профиль, на параллельных поверхностях которого установлены магниты, ориентированные перпендикулярно осям катушек, а на поперечной внешней поверхности профиля между профилем и стенкой корпуса закреплен буфер, по обе стороны от которого на поперечной поверхности профиля выполнены сквозные отверстия, через которые проходят направляющие, по обе стороны которых на торцах профиля установлены подшипники, при этом в отсеке корпуса с катушками установлены датчики положения магнитов, подключенные к схеме источника питания катушек, и блок буферов, закрепленных снаружи отсека с катушками.

Description

Полезная модель относится к игровой технике, а именно к устройствам имитации отдачи при стрельбе и может применяться в стрелковых тренажерах для обучения навыкам пулевой стрельбы из различных видов оружия, а также в оружии-контроллере для приложений VR, например, для игр в жанре шутеры.

Из уровня техники известны следующие решения.

Известен имитатор отдачи оружия стрелкового тренажера, содержащий привод и механизм передачи усилия отдачи, в качестве привода использован электромагнит, установленный на основании, а механизм передачи усилия отдачи выполнен в виде поводка, представляющего собой поворотный рычаг, один конец которого имеет конусное отверстие для установки в нем съемного упора, предназначенного для соединения рычага с оружием и обеспечивающего возможность изменения угла наклона оружия в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а другой конец соединен со втулкой с возможностью поворота относительно нее, при этом втулка укреплена на подвижном упоре, имеющем направляющую для перемещения упора относительно стойки, жестко закрепленной на основании, на направляющей расположена возвратная пружина с возможностью регулировки ее предварительного поджатия, при этом между подвижным упором и якорем электромагнита выполнен зазор для обеспечения быстрого разгона якоря электромагнита (патент РФ №2690964, опубликовано 07.06.2019).

Также известен механизм имитации отдачи содержит две электромагнитные катушки, расположенные рядом в продольном направлении, постоянный магнит или железный сердечник, намагниченный постоянным магнитом, который скользящим образом вставлен в центральные отверстия двух электромагнитных катушек, соединяющие элементы для взаимного и интегрального соединения двух электромагнитных катушек, двух приемных элементов, которые примыкают к внешним концам двух электромагнитных катушек и упираются в торцы железного сердечника (патент JP № 3865010, опубликовано 10.01.2007).

Наиболее близким аналогом патентуемого решения является устройство отдачи для тренировочной системы стрельбы, для генерирования силы реакции в винтовке-симуляторе, равную силе реакции, возникающей при срабатывании реальной винтовки. Устройство содержит корпус, блок с неподвижным металлическим сердечником, блок катушки и ударный элемент. Медная проволока намотана на внешней круговой поверхности для формирования магнитного поля при подаче тока. Один конец ударного элемента размещен в сквозном отверстии блока катушки с возможность перемещения в ней, и при подаче тока на катушку вокруг катушки формируется магнитное поле, в результате чего ударный элемент подвижного железного сердечника ударного средства ударяется о направляющую планку пистолета, создавая ощущения отдачи при стрельбе (патент KR № 101295626, опубликовано 12.08.2013).

Недостаток известного решения заключается в отсутствии возможности настройки режима отдачи и создании только определенного заданного значения мощности двигателя и, соответственно, усилия, передаваемого на корпус винтовки-симулятора.

Техническая проблема, решаемая заявленным устройством, заключается в обеспечении управления двигателем.

Поставленная задача решается изменением конфигурации электромагнитной составляющей устройства имитации отдачи.

Технический результат предлагаемого устройства является повышение максимальной мощности двигателя с возможностью регулирования напряжения питания двигателя для реализации различных режимов отдачи.

Заявленный технический результат достигается за счет конструкции устройства имитации отдачи при стрельбе, содержащего корпус, в котором установлены три катушки с концентрической обмоткой, соединенные параллельно и подключенные к источнику питания, якорь, представляющий собой П-образный профиль, на параллельных поверхностях которого установлены магниты, ориентированные перпендикулярно осям катушек, а на поперечной внешней поверхности профиля между профилем и стенкой корпуса закреплен буфер, по обе стороны от которого на поперечной поверхности профиля выполнены сквозные отверстия, через которые проходят направляющие, по обе стороны которых на торцах профиля установлены подшипники, при этом в отсеке корпуса с катушками установлены датчики положения магнитов, подключенные к схеме источника питания катушек, и блок буферов, закрепленных снаружи отсека с катушками.

При подаче тока на все катушки можно получить максимальную мощность отдачи. С помощью датчиков положения магнитов осуществляется контроль положения якоря относительно блока катушек. Датчики изменяют состояние своих выходов, когда необходимо выполнить переключение обмоток катушек, осуществляя регулирование напряжения питания двигателя с помощью широтно-импульсной модуляции.

Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.

Фиг. 1 - составные части устройства имитации отдачи при стрельбе.

Фиг. 2 - распределение н.с. в пространстве, q – количество витков.

Фиг. 3 - блок-схема работы привода ударного механизма.

Фиг. 4 - диаграмма работы транзисторов.

Фиг. 5 - мостовая схема управления трехфазным линейным двигателем.

Фиг. 6 - схема драйвера обмоток (показан только драйвер обмотки U).

Фиг. 7 - графики изменения широтной импульсной модуляции.

Фиг. 8 - таблица коммутации выходных транзисторов.

Устройство имитации отдачи при стрельбе содержит линейный трехфазный двигатель, электромагнитная часть которого состоит из параллельно подключенных катушек с концентрической обмоткой и магнитов, расположенных выше и ниже катушек.

Блок имитации отдачи представляет собой корпус, устанавливаемый в задней части корпуса винтовки-контроллера, и включает отсек 4, в котором установлены три катушки 5 с концентрической обмоткой, соединенные параллельно и подключенные к источнику питания. Также корпус включает боковые стенки 2 и заднюю стенку 1.

Магниты 6 электромагнитной части двигателя установлены на якоре 9, представляющем собой П-образный профиль, путем крепления на параллельных поверхностях перпендикулярно осям катушек.

На поперечной внешней поверхности якоря 9 между профилем и задней стенкой 1 корпуса закреплен буфер 6, который служит для передачи импульса движения якоря непосредственно на корпус винтовки.

По обе стороны от буфера 6 на поперечной поверхности якоря 9 выполнены сквозные отверстия, через которые проходят направляющие 7, по обе стороны которых на торцах профиля установлены подшипники 3.

В отсеке корпуса 4 с катушками 5 установлены датчики 12 положения магнитов, подключенные к схеме источника питания катушек, и блок буферов 8, закрепленных снаружи отсека с катушками. С помощью датчиков положения магнитов 12, осуществляется контроль положения якоря. Буферы 6 и 8 осуществляют ограничение движения якоря 9.

Работа электромагнитной части устройства

В общей форме работа электромагнитного устройства может быть описана уравнением второго закона Ньютона

Ускорение, придаваемое телу 9 (фиг. 1) пропорционально электромагнитному усилию, создаваемому катушками - Fm, минус диссипативные силы трения - воздуха и силами трения опорной части 3 при движении по направляющим 7 - Fd.

Электромагнитная часть состоит из магнитов 6, расположенных сверху и снизу катушек 5. Ток, протекая по обмоткам катушек 5, возбуждает в них магнитное поле. Если предположить, что ток сосредоточен в средней линии проводников, то в любой точке между начальной и конечной точками активного проводника существует магнитная линия, имеющая одинаковое направление и охватывающая одно и то же число проводников с током. Изменение магнитного потока или намагничивающей силы в проводниках показано фиг. 2. Ограничиваясь основной гармоникой распределения намагничивающей силы, для одной катушки можно записать Fa=Fmax⋅cos(xπ/τ).

Где Fmax - амплитуда пространственного распределения намагничивающей силы, изменяющаяся во времени. Катушка А, при прохождении по ней переменного тока, создает в ней пульсирующее магнитное поле, не подвижное в пространстве и изменяющееся во времени с частотой прохождения внешнего магнитного поля, создаваемого магнитами. Вектор намагничивающей силы (н.с.) направлен вертикально к оси основанного магнитного потока, создаваемого магнитным полем магнитов и синусоидально изменяющийся во времени. Для любого момента времени будет справедливо равенство Ftx=Fmax⋅sin wt⋅cos(xπ/τ) или

Ftx=0.5Fmax⋅sin(wt-xπ/τ)+0.5Fmax⋅sin(wt+xπ/τ), каждое выражение представляет собой синусоидальную волну н.с. перемещающуюся вдоль статора. Скорость перемещения волн v=x/t=wτ/π=2fτ, f - частота тока. Соответственно, для трехфазной электромагнитной системы каждая последующая н.с. будет сдвинута на 120 градусов, для каждого полюса катушки н.с. определится следующим образом

Fa=Fmax⋅sin(wt)cos(xπ/τ);

Fb=Fmax⋅sin(wt-2π/3)cos(xπ/τ-2π/3); (1)

Fc=Fmax⋅sin(wt-4π/3)cos(xπ/τ-4π/3).

При максимальном значении тока н.с. на полюс катушки

где wcoil - количество витков катушки , Icoil - максимальное значение катушки.

Таким образом, подавая на каждую из катушек ток, согласно уравнений (1) можно получить значение максимальной н.с. в конкретный промежуток времени, определяемый перемещением магнита вдоль катушки. Схема устройства, реализующего подобный алгоритм приведена на фиг. 1, диаграммы поясняющие принцип работы данного устройства, реализованных на датчиках Холла приведены на фиг. 3, 4.

Чтобы вызвать движение якоря необходимо пропустить ток через обмотки статора в определенной последовательности, задавая движение в одном направлении, например, слева направо.

Изменение последовательности коммутации приводит к реверсированию двигателя (движение в противоположном направлении). Следует понимать, что последовательность определяет направление электрического тока в обмотках и, следовательно, магнитного поля, генерируемого каждой обмоткой. Направление тока определяет ориентацию магнитного поля, генерируемого обмотками. Магнитное поле притягивает и отталкивает постоянные магниты ротора. Путем изменения тока в обмотках и, как следствие, полярности магнитных полей в нужный момент и в нужной последовательности инициируется движение двигателя.

Трехфазные двигатели характеризуются шестью состояниями коммутации. Когда все шесть состояний в последовательности коммутации выполнены, то для продолжения движения последовательность повторяется. Последовательность определяет полное электрическое положение ротора в пространстве.

Наиболее элементарной схемой управления коммутацией мотора является схема включения-отключения, т.е. когда обмотка либо пропускает ток (в одном из направлений), либо нет. Подключение обмоток к шинам питания вызывает протекание тока (выполняется с помощью драйверного каскада). Данный способ называется трапецеидальной коммутацией или блочной коммутацией. Альтернативным методом является использование синусоидальной формы напряжений питания.

Сила магнитного поля определяет мощность и скорость двигателя. Изменением силы тока через обмотки можно добиться изменения частоты переключений. Наиболее типичный способ регулировки силы тока - это управление средним значением тока через обмотки, что выполняется путем импульсной модуляции напряжения питания обмоток за счет задания длительностей подачи и снятия напряжения питания, таким образом, чтобы добиться требуемого среднего значения напряжения и, как следствие, среднего тока.

Процесс коммутации ключей электродвигателя управляется электроникой. Самый простой способ управления коммутацией - поиск соответствия требуемого состояния выходов в зависимости от состояния датчиков положения, расположенных внутри двигателя. Датчики Холла изменяют состояние своих выходов, когда необходимо выполнить переключение обмоток (фиг. 5).

На фиг. 5 показана схема драйвера для одной обмотки. При необходимости можно реализовать любую другую схему. Исходным состоянием является отключение всех драйверов.

Три ШИМ-канала, A, B и C, управляют нижними ключами мостовой схемы (например, UL на рисунке 6). Это дает возможность управления электрическим током с помощью аппаратных возможностей генерации ШИМ-сигналов при минимальном использовании таймерных ресурсов. В этом случае управление скоростью выполняется за счет варьирования рабочим циклом ШИМ-сигнала. Таблица коммутации ключей приведена на фиг.8.

При включении ключей, как показано выше, на двигатель подается полное напряжение питания. При этом двигатель развивает максимальную скорость (мощность). Чтобы обеспечить управление двигателем нужно регулировать напряжение питания двигателя. Изменение действующего напряжения осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляцией (фиг. 7). Т.е. ключи открыты не все время, а открываются, и закрываются с фиксированной частотой, но изменяемой.

Claims (1)

1. Устройство имитации отдачи при стрельбе, содержащее корпус, в котором установлены три катушки с концентрической обмоткой, соединенные параллельно и подключенные к источнику питания, якорь, представляющий собой П-образный профиль, на параллельных поверхностях которого установлены магниты, ориентированные перпендикулярно осям катушек, а на поперечной внешней поверхности профиля между профилем и стенкой корпуса закреплен буфер, по обе стороны от которого на поперечной поверхности профиля выполнены сквозные отверстия, через которые проходят направляющие, по обе стороны которых на торцах профиля установлены подшипники, при этом в отсеке корпуса с катушками установлены датчики положения магнитов, подключенные к схеме источника питания катушек, и блок буферов, закрепленных снаружи отсека с катушками.

Images