Управлять движением руки
Перед тем как приступить к описанию предлагаемой конструкции, необходимо осуществить ответственное примечание. Созданный бесконтактный управляющий элемент возможно применён не только в компьютерной технике. Обрисованное назначение устройства и конструктивное оформление -всего только один пример из вероятных его применений.
Среди любителей истории авиации заслуженной популярностью пользуется компьютерная игра Ил-2. Забытые сражения с её бессчётными дополнениями.
Ни один учебник истории так не растолкует спокойного мужества пилота штурмовика, бережно и совершенно верно, как в лабораторном опыте, ведущего на боевом курсе терзаемую зенитками машину. Либо бешенный азарт пилота Райдена, видящего, как растёт в его прицеле силуэт Бойсана.
Но положение у виртуального пилота не так комфортно, как у настоящего. И картина на мониторе уступает действительности, да и просто не хватает рук трудиться с клавиатурой. Последняя неприятность частично решается посредством джойстика.
Вот тут бы ещё педали, дабы руководить рулём поворота. Но они имеются лишь в весьма редких и дорогих устройствах. Действительно, кроме того в недорогих моделях имеется третий регулятор, что возможно применять по желанию: либо в качестве педалей, либо сектора газа.
Вскрыв собственный джойстик (рис.1), я понял, что крайние выводы всех его переменных резисторов (потенциометров) соединены параллельно. Разумеется, с них снимается то либо иное постоянное напряжение, которое и подается на схему. Это и послужило отправной точкой для разработки.
Рис. 1. Принципиальная электрическая схема джойстика
Простейшее ответ разумеется — сделать педали, осью которых будет помогать переменный резистор. Они смогут дополнить моделируемую совокупность управления каким-либо настоящим самолётом.
Но, кроме высокой технической и исторической достоверности, такое ответ владеет инемалыми недочётами. Конструкция весьма громоздка и тяжела. Появляется неприятность с её креплением к полу.
В тёплый момент боя, либо в то время, когда требуется на взлёте удержать от разворота реактивным моментом замечательного мотора такую зверюгу, как Ла-5ФН, тяжело удержаться от того, дабы не надавить на педаль как направляться. Люфты в механических узлах делают управление тяжёлым. Не приносит эйфории и износ переменных резисторов.
Рис. 2. Ёмкостной датчик
Словом, требуется какая-то другая конструкция, пускай и не столь историчная, но более эргономичная и компактная. А из-за чего бы нам не обставить все эти мыши, клавиатуры, сенсорные экраны ай-фонов, обязательно требующие яркого соприкосновения и оторвать процесс управления от поверхности панели, перенести его в количество над ней?
Не забывайте, как в одной из повестей Кира Булычева: Инопланетянин совершил ладонью над зелёным огоньком. Тот погас и снова загорелся бросче, чем прежде. Мы также можем сделать подобное.
Первое, что приходит на ум при мысли о бесконтактном управлении — это оптика. Но большая часть оптических совокупностей трудится на просвет либо на прерывание луча. Вставлять руку в какую-то щель между приёмником и источником света? Кому необходимо такое бесконтактное устройство?
Схемы же, трудящиеся на отражение, в большинстве случаев имеют дело со особыми, контрастно отпечатанными метками и штрих-кодами. Наряду с этим надёжность их реакции на предмет, что возможно любого фактуры и цвета, также вызывающа большие сомнения.
Ограничивает свободу выбора конструктора и ещё одно событие — лучшая оптика применяет лазеры. Но их излучение вредно для зрения и потому использовать их в панелях управления, на каковые наблюдает человек, нежелательно.
Неизбежное в эксплуатации запыление и загрязнение оптики кроме этого иногда создаёт неприятности. Наконец, в случае если датчиков больше одного, то это ведет к удорожанию схемы и значительному усложнению.
Рис. 3. Печатная плата управляющего устройства
Исходя из этого я решил пойти по пути применения ёмкостных датчиков. Первые подобные системы применяли колебательные контуры и были весьма нестабильны. Фактически при каждом включении требовалась их подстройка.
Позднее показались более стабильные цифровые конструкции на принципе задержки импульсов. Но это были простые сенсорные устройства. Их авторам, по-видимому, не хватило фантазии вообразить устройство, трудящееся без яркого прикосновения.
Я решил постараться…
Посмотрите на рисунок 1. Генератор на элементах D 1.2, D 1.1 выдаёт импульсы на формирователь импульсов по фронту на D 1.3, D 1.4. На его выходе (вывод 11) всё время присутствует логическая 1, не считая момента по окончании прихода фронта импульса с выхода генератора (выв. 3).
На время задержки импульса в цепочке R4, R3, СА на всех входах D1.4 устанавливаются логическая 1, а на выходе — логический 0. До тех пор пока ёмкость датчика СА, а следовательно, и продолжительность нулевого импульса мала, усреднённое постоянное напряжение на выходе формирователя, сглаженное R6, СЗ фактически не отличается от логической единицы. Но стоит ёмкости датчика увеличиться, как логический 0 на выходе формирователя занимает солидную часть периода тактовых импульсов и напряжение на выходе значительно уменьшается.
Для получения должной чувствительности устройства нужно, дабы продолжительность импульсов формирователя была сравнима с периодом тактовых импульсов (но не превосходила их). Это достижимо при частотах тактового генератора не ниже 100 кГц.
Рис. 4. Бесконтактные педали:
1 пластина ёмкостного датчика;
2 корпус;
3 плата;
4 направляющие платы (4 шт.);
5 бобышка (4 шт.);
6 ось;
7 проволочное кольцо (2 шт.);
8 накладка;
9 выходной кабель;
10 скрепляющий хомутик;
11 винт М2,5
Сейчас взглянуть на конструкцию ёмкостного датчика (рис.2). Он представляет собой расположенную горизонтально пластину фольгированного стеклотекстолита. Второй (земляной) обкладкой помогает жестяной кожух-экран, в который помещена вертикально плата устройства.
Они образуют пара необыкновенный, полуоткрытый конденсатор с пластинами, расположенными перпендикулярно друг другу. Он чётко реагирует повышением собственной ёмкости на помещение в его поле любого предмета, как проводящего ток, так и диэлектрического.
Предмет чувствуется на расстоянии не меньше 30 мм. Такая конструкция даёт достаточно размашистый сигнал, талантливый преодолеть разные помехи и нестабильности. А операционный усилитель DA1 может довести его амплитуду до любой требуемой величины.
Приблизьте ногу к пластине и руль Вашего самолёта повернётся. Уберите ногу обратно вверх либо назад и процесс отправится в обратном порядке.
Ёмкостных датчиков, как и педалей в настоящем самолёте — два. Потому, что сигнал от одного датчика заведён на инвертирующий вход усилителя, а от другого — на неинвертирующий, то выходное напряжение зависит от их баланса, от того, какую ногу вы дадите больше.
Схема наряду с этим не очень-то усложнилась, поскольку и тактовый генератор, а также инвертор D1.3 смогут быть неспециализированными для нескольких каналов. Усиление ОУ на пара порядков для плавного регулирования очевидно избыточно.
Поменять передаточное число управления возможно, введя цепь отрицательной обратной связи. R9 снижает усиление, а по переменному току ООС ещё более глубока, благодаря конденсатору С 5. Это исключает возможность происхождения автоколебаний.
Печатная плата устройства приведена на рисунке 3. На свободных от фольги участках платы недалеко от подключения ёмкостных датчиков сверлится множество отверстий диаметром около 3 мм для понижения начальной ёмкости и повышения чувствительности устройства. Входы неиспользуемых элементов D2, чтобы не было их повреждения статическими зарядами, заземлены.
Эти проводники нужно сделать узкими. Тогда, при необходимости (выход из строя рабочих элементов либо какие-то доработки) вы сможете их перерезать и применять эти элементы.
Конструкция. Пластины ёмкостных датчиков расположены фольгой вверх. Они укреплены шарнирно, смогут быть подняты и прижаты к стенкам корпуса, образуя компактную коробочку, удобную для хранения и переноски.
В районе вырезов для этого припаиваются оси из обрезков бронзовой проволоки диаметром 0,8 мм. Кроме этого к пластинам припаиваются эластичные провода к схеме (оптимальнее МГТФ) и проволочные колечки, удерживающие незачищенную их часть и предотвращающие переламывание провода в месте зачистки.
По окончании исполнения всех паек рабочую поверхность датчика нужно изолировать от электрического контакта с посторонними предметами. Во многих случаях для этого хватает наклейки широкого скотча.
Корпусом устройства помогает П-образная обойма из пластмассы толщиной 2 мм. Из обрезков пластмассы вырезаются и приклеиваются изнутри направляющие для бобышки и платы, в которых делаются резьбовые отверстия для крепления кожуха-экрана. В пропилы нижних лапок корпуса вкладываются осями пластины датчиков и заклеиваются накладками, кроме этого фиксирующими нижнюю часть платы.
П-образный кожух-экран изготавливается из жести. Для уменьшения начальной ёмкости и влияния опорной поверхности он не доходит пара миллиметров до низа корпуса. Наоборот подстроечного резистора R4 в экране делается отверстие.
Изнутри к экрану припаивается эластичный провод для соединения с неспециализированным проводом платы.
Налаживание. Установите R4 в среднее положение. Вместо RЗ впаяйте на маленьких проводах подстроенный резистор сопротивлением около 1 МОм. Установите его на минимальное значение.
Проследите, дабы подстроечник, его провода и каждые другие предметы не попадали в поле датчика СА. Медлено увеличивайте его сопротивление , пока постоянное напряжение на выводе 11 DD1 не сократится на 20 — 25 %. Это сигнал о том, что устройство начало ощущать окружающее пространство.
Измерьте сопротивление подстроечника и замените его таким же постоянным резистором, а подстроечник перенесите на место R5 так, дабы он не попал в поле датчика СБ. Установите на выходе второго формирователя такое же напряжение, как и на выходе первого.
Окончательный баланс установите резистором R4 посредством узкой диэлектрической отвёртки по окончании полной сборки устройства. Вытащите отвёртку и проконтролируйте напряжение на выходе ОУ — оно должно быть родным к половине напряжения питания.
Рис. 6. Установка управляющих датчиков в дверной ручке
Устройство было удачно испытано с программами Ил-2 и имитатором планёра Кондор. Степень реализма была очень близка к настоящему летательному аппарату. Но, упомянутые программы созданы не для бескрылых людей.
Смотрите на шарик Пионера и, по окончании маленькой тренировки, всё будет превосходно.
Как уже было сообщено, предлагаемый бесконтактный управляющий элемент возможно применён не только в компьютерной технике. Как правило нет потребности в двухканальной балансной схеме, аналогичной обрисованной.
Одноканальный элемент возможно сделан, как продемонстрировано на рисунке 5. Потому, что выход формирователя подключён к инвертирующему входу ОУ, то в исходном состоянии напряжение на выходе устройства мало. Напряжение на неинвертирующем входе устанавливается подстроечником R10 чуть ниже порога переключения.
В случае если поднести руку к ёмкостному датчику, то напряжение на выходе устройства начнёт повышаться. Его возможно применять для регулирования либо легко включения-выключения каких или аппаратов. В последнем случае цепь ООС не нужно.
На протяжении опытов с устройством данный вариант продемонстрировал себя в полной мере работоспособным.
Встраивая бесконтактное управление в какую или аппаратуру направляться не забывать, что датчик реагирует на ёмкость, вносимую предметами не только спереди, но и позади него, другими словами в корпусе аппаратуры. Принципиально важно, дабы эта паразитная ёмкость была мельче, а основное — неизменной.
Нежёсткое крепление датчика либо вольно болтающиеся рядом с ним провода смогут сбивать настройку. Это не разрешит реализовать хорошую чувствительность.
Весьма интересно использование бесконтактного управления (два свободных канала) для перемещения каких-либо дверей, створок и т.п. Установив два датчика на ручке, как продемонстрировано на рисунке 6, возможно толкнуть створку в любое требуемое положение, не прикасаясь к ней.
Само собой разумеется, регуляторы и классические тумблеры несложнее и дешевле. Но однако найдутся области применения, где предлагаемые бесконтактные управляющие элементы будут более предпочтительны. К примеру, в страшных условиях работы, в то время, когда нужно совсем исключить электрический контакт с оборудованием, передачу заразы и т. д. Так, многие устройства в будущем смогут управляться практически одним взмахом руки, не вооружённой пультами, жетонами либо какими-то иными приспособлениями.
А. ЛИСОВ, г. Иваново
