Управление движением руки. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Радиолюбителю-конструктору

 Комментарии к статье

Прежде чем приступить к описанию предлагаемой конструкции, следует сделать важное примечание. Разработанный бесконтактный управляющий элемент может быть применен не только в компьютерной технике. Описанное конструктивное оформление и назначение устройства -всего лишь один пример из возможных его применений.

Среди любителей истории авиации заслуженной популярностью пользуется компьютерная игра "Ил-2. Забытые сражения" с ее многочисленными дополнениями. Ни один учебник истории так не объяснит спокойного мужества пилота штурмовика, аккуратно и точно, как в лабораторном опыте, ведущего на боевом курсе терзаемую зенитками машину. Или бешенный азарт пилота "Райдена", видящего, как растет в его прицеле силуэт "Бойсана".

Однако положение у виртуального пилота не так удобно, как у настоящего. И картинка на мониторе уступает реальности, да и просто не хватает рук работать с клавиатурой. Последняя проблема отчасти решается с помощью джойстика. Вот тут бы еще педали, чтобы управлять рулем поворота. Однако они имеются только в очень редких и дорогих устройствах. Правда, даже в дешевых моделях есть третий регулятор, который можно использовать по желанию: или в качестве педалей, или сектора газа. Вскрыв свой джойстик (рис.1), я обнаружил, что крайние выводы всех его переменных резисторов (потенциометров) соединены параллельно. Очевидно, с них снимается то или иное постоянное напряжение, которое и подается на схему. Это и послужило отправной точкой для разработки.

Простейшее решение очевидно - сделать педали, осью которых будет служить переменный резистор. Они могут дополнить моделируемую систему управления каким-либо реальным самолетом. Но, помимо высокой технической и исторической достоверности, такое решение обладает и немалыми недостатками. Конструкция очень громоздка и тяжела. Возникает проблема с ее креплением к полу. В горячий момент боя, или когда требуется на взлете удержать от разворота реактивным моментом мощного мотора такую "зверюгу", как Ла-5ФН, трудно удержаться от того, чтобы не надавить на педаль как следует. Люфты в механических узлах делают управление тяжелым. Не приносит радости и износ переменных резисторов.

Словом, требуется какая-то иная конструкция, пусть и не столь историчная, но более удобная и компактная. А почему бы нам "не обставить" все эти мыши, клавиатуры, сенсорные экраны ай-фонов, непременно требующие непосредственного соприкосновения и оторвать процесс управления от поверхности панели, перенести его в объем над ней? Помните, как в одной из повестей Кира Булычева: "Пришелец провел ладонью над зеленым огоньком. Тот погас и вновь загорелся ярче, чем прежде". Мы тоже можем сделать подобное.

Первое, что приходит на ум при мысли о бесконтактном управлении - это оптика. Однако большинство оптических систем работает на просвет или на прерывание луча. Вставлять руку в какую-то щель между источником света и приемником? Кому нужно такое "бесконтактное" устройство? Схемы же, работающие на отражение, обычно имеют дело со специальными, контрастно отпечатанными метками и штрих-кодами. При этом надежность их реакции на предмет, который может быть любого цвета и фактуры, тоже сомнительна. Ограничивает свободу выбора конструктора и еще одно обстоятельство - лучшая оптика использует лазеры. Но их излучение вредно для зрения и потому применять их в панелях управления, на которые смотрит человек, нежелательно. Неизбежное в эксплуатации загрязнение и запыление оптики также время от времени создает проблемы. Наконец, если датчиков больше одного, то это приводит к значительному усложнению и удорожанию схемы.

Поэтому я решил пойти по пути использования емкостных датчиков. Первые подобные системы использовали колебательные контуры и были очень нестабильны. Практически при каждом включении требовалась их подстройка. Позднее появились более стабильные цифровые конструкции на принципе задержки импульсов. Однако это были обычные сенсорные устройства. Их авторам, по-видимому, не хватило фантазии вообразить устройство, работающее без непосредственного прикосновения. Я решил попытаться...

Взгляните на рисунок 1. Генератор на элементах D1.2, D1.1 выдает импульсы на формирователь импульсов по фронту на D 1.3, D 1.4. На его выходе (вывод 11) все время присутствует логическая 1, кроме момента после 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. Пока емкость датчика СА, а следовательно, и длительность нулевого импульса невелика, усредненное постоянное напряжение на выходе формирователя, сглаженное R6, С3 практически не отличается от логической единицы. Но стоит емкости датчика увеличиться, как логический 0 на выходе формирователя занимает большую часть периода тактовых импульсов и напряжение на выходе уменьшается. Для получения должной чувствительности устройства необходимо, чтобы длительность импульсов формирователя была сравнима с периодом тактовых импульсов (но не превосходила их). Это достижимо при частотах тактового генератора не ниже 100 кГц.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема джойстика

Теперь посмотрим на конструкцию емкостного датчика (рис.2). Он представляет собой расположенную горизонтально пластину фольгированного стеклотекстолита. Второй (земляной) обкладкой служит жестяной кожух-экран, в который помещена вертикально плата устройства. Они образуют несколько необычный, полуоткрытый конденсатор с пластинами, расположенными перпендикулярно друг другу. Он четко реагирует увеличением своей емкости на помещение в его поле любого предмета, как проводящего ток, так и диэлектрического. Предмет чувствуется на расстоянии не менее 30 мм.

Такая конструкция дает довольно размашистый сигнал, способный преодолеть различные помехи и нестабильности. А операционный усилитель DA1 может довести его амплитуду до любой требуемой величины. Приблизьте ногу к пластине и руль Вашего самолета повернется. Уберите ногу обратно вверх или назад и процесс пойдет в обратном порядке.

Рис. 2. Ёмкостной датчик

Ёмкостных датчиков, как и педалей в настоящем самолете - два. Поскольку сигнал от одного датчика заведен на инвертирующий вход усилителя, а от другого - на неинвертирующий, то выходное напряжение зависит от их баланса, от того, какую ногу вы "дадите" больше. Схема при этом не очень-то усложнилась, ведь и тактовый генератор, и даже инвертор D1.3 могут быть общими для нескольких каналов. Усиление ОУ на несколько порядков для плавного регулирования явно избыточно. Изменить "передаточное число" управления можно, введя цепь отрицательной обратной связи. R9 снижает усиление, а по переменному току ООС еще более глубока, благодаря конденсатору С 5. Это исключает возможность возникновения автоколебаний.

Печатная плата устройства приведена на рисунке 3. На свободных от фольги участках платы в районе подключения емкостных датчиков сверлится множество отверстий диаметром около 3 мм для снижения начальной емкости и увеличения чувствительности устройства. Входы неиспользуемых элементов D2, во избежание их повреждения статическими зарядами, заземлены. Эти проводники желательно сделать тонкими. Тогда, в случае необходимости (выход из строя рабочих элементов или какие-то доработки) вы сможете их перерезать и использовать эти элементы.

Рис. 3. Печатная плата управляющего устройства

Конструкция. Пластины емкостных датчиков расположены фольгой вверх. Они укреплены шарнирно, могут быть подняты и прижаты к стенкам корпуса, образуя компактную коробочку, удобную для переноски и хранения. В районе вырезов для этого припаиваются оси из обрезков медной проволоки диаметром 0,8 мм. Также к пластинам припаиваются гибкие провода к схеме (лучше всего МГТФ) и проволочные колечки, удерживающие незачищенную их часть и предотвращающие переламывание провода в месте зачистки. После выполнения всех паек рабочую поверхность датчика необходимо изолировать от электрического контакта с посторонними предметами. Во многих случаях для этого достаточно наклейки широкого скотча.

Корпусом устройства служит П-образная обойма из пластмассы толщиной 2 мм. Из обрезков пластмассы вырезаются и приклеиваются изнутри направляющие для платы и бобышки, в которых делаются резьбовые отверстия для крепления кожуха-экрана. В пропилы нижних лапок корпуса вкладываются осями пластины датчиков и заклеиваются накладками, также фиксирующими нижнюю часть платы.

П-образный кожух-экран изготавливается из жести. Для уменьшения начальной емкости и влияния опорной поверхности он не доходит несколько миллиметров до низа корпуса. Напротив подстроечного резистора R4 в экране делается отверстие. Изнутри к экрану припаивается гибкий провод для соединения с общим проводом платы.

Рис. 4. Бесконтактные педали (нажмите для увеличения): 1 - пластина емкостного 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

Налаживание. Установите R4 в среднее положение. Вместо RЗ впаяйте на коротких проводах подстроенный резистор сопротивлением около 1 МОм. Установите его на минимальное значение. Проследите, чтобы подстроечник, его провода и любые другие предметы не попадали в поле датчика СА. Плавно увеличивайте его сопротивление до тех пор, пока постоянное напряжение на выводе 11 DD1 не снизится на 20 - 25 %. Это сигнал о том, что устройство начало чувствовать окружающее пространство. Измерьте сопротивление подстроечника и замените его таким же постоянным резистором, а подстроечник перенесите на место R5 так, чтобы 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 с помощью тонкой диэлектрической отвертки после полной сборки устройства. Вытащите отвертку и проконтролируйте напряжение на выходе ОУ - оно должно быть близким к половине напряжения питания.

Устройство было успешно испытано с программами "Ил-2" и имитатором планера "Кондор". Степень реализма оказалась весьма близка к настоящему летательному аппарату. Впрочем, упомянутые программы созданы не для бескрылых людей. Смотрите на шарик "Пионера" и, после небольшой тренировки, все будет отлично.

Как уже было сказано, предлагаемый бесконтактный управляющий элемент может быть применен не только в компьютерной технике. В большинстве случаев нет нужды в двухканальной балансной схеме, подобной описанной. Одноканальный элемент может быть сделан, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Схема одноканального управляющего элемента

Поскольку выход формирователя подключен к инвертирующему входу ОУ, то в исходном состоянии напряжение на выходе устройства мало. Напряжение на неинвертирующем входе устанавливается подстроечником R10 чуть ниже порога переключения. Если поднести руку к емкостному датчику, то напряжение на выходе устройства станет повышаться. Его можно использовать для регулирования или просто включения-выключения каких либо аппаратов. В последнем случае цепь ООС не требуется. В ходе экспериментов с устройством этот вариант показал себя вполне работоспособным.

Встраивая бесконтактное управление в какую либо аппаратуру следует помнить, что датчик реагирует на емкость, вносимую предметами не только спереди, но и сзади него, то есть в корпусе аппаратуры. Важно, чтобы эта паразитная емкость была поменьше, а главное - неизменной. Нежесткое крепление датчика или свободно болтающиеся рядом с ним провода могут сбивать настройку. Это не позволит реализовать хорошую чувствительность.

Интересно применение бесконтактного управления (два независимых канала) для движения каких-либо дверей, створок и т.п. Установив два датчика на ручке, как показано на рисунке 6, можно "толкнуть" створку в любое требуемое положение, не прикасаясь к ней.

Рис. 6. Установка управляющих датчиков в дверной ручке

Конечно, классические тумблеры и регуляторы проще и дешевле. Но все же найдутся области применения, где предлагаемые бесконтактные управляющие элементы будут более предпочтительны. Например, в опасных условиях работы, когда необходимо совершенно исключить электрический контакт с оборудованием, передачу инфекции и т. д. Таким образом, многие устройства в будущем смогут управляться буквально одним взмахом руки, не вооруженной пультами, жетонами или какими-то иными приспособлениями.

Автор: А.Лисов

Смотрите другие статьи раздела Радиолюбителю-конструктору.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Не вся растительная пища полезна для психики 10.09.2026

Растительная пища традиционно считается одной из основ здорового рациона, поэтому специалисты по питанию обычно рекомендуют чаще включать в меню овощи, фрукты, цельнозерновые продукты и другие продукты растительного происхождения. Однако важна не только принадлежность пищи к растительной категории, но и способ ее обработки, количество сахара и другие характеристики рациона. Исследование иранских ученых показывает, что разные варианты растительного питания могут по-разному отражаться на психологическом состоянии человека. К такому выводу пришли исследователи из Исфаханского университета медицинских наук. Они изучали взаимосвязь между характером питания и эмоциональным состоянием взрослых людей, уделяя особое внимание симптомам депрессии и тревожности. Результаты работы были опубликованы в научном журнале PLOS One. При этом специалисты не утверждали, что отдельные продукты непосредственно вызывают депрессию: речь шла о статистической связи между определенными пищевыми привычками и сос ...>>

Подвесной робот Stringman для уборки комнаты 10.09.2026

Домашняя робототехника в основном развивается вокруг двух привычных направлений: роботов-пылесосов и многофункциональных гуманоидных машин. Но далеко не все задачи требуют колесной платформы или сложного человекоподобного механизма. Инженер Натаниэль Нифонг (Nathaniel Nifong), основатель стартапа Newfangled, предложил необычную альтернативу - подвесного робота Stringman, способного перемещаться над полом и самостоятельно собирать разбросанные предметы. Вместо того чтобы передвигаться по поверхности помещения, Stringman использует принцип, знакомый по тросовым системам камер Spidercam, применяемым на стадионах. В четырех верхних углах комнаты устанавливаются натяжные блоки, от которых к центральному рабочему модулю идут тонкие, но прочные тросы. Изменяя их натяжение, система может перемещать манипулятор практически в любую точку обслуживаемого пространства. Такое решение позволяет обойти некоторые ограничения традиционных роботов на колесах. Подвесной механизм не сталкивается с пр ...>>

Микрогравитация не ослабляет сердечные клетки 09.09.2026

Продолжительное пребывание в космосе подвергает человеческий организм воздействию условий, с которыми он никогда не сталкивается на Земле. Микрогравитация изменяет распределение жидкостей, способствует потере костной и мышечной массы, а космическое излучение способно повреждать ДНК. Особое значение для будущих длительных экспедиций имеет состояние сердечно-сосудистой системы. Новый эксперимент с мышами на борту Международной космической станции показал, что клетки сердечной мышцы могут сохранять силу сокращения даже после нескольких недель пребывания в микрогравитации. Исследователи давно наблюдают за тем, каким образом отсутствие привычной земной гравитационной нагрузки отражается на организме. В космосе жидкости перераспределяются в сторону верхней части тела, позвоночник немного растягивается, из-за чего рост временно увеличивается, а скелетные мышцы постепенно теряют массу и силу. Однако сердечная мышца работает в несколько иных условиях, поэтому специалисты Чикагского университ ...>>

Случайная новость из Архива Напиток из лужи 02.02.2004 Если бы Иванушка из известной сказки имел в кармане пакет "Хайдропак", выпущенный в США, он мог бы безбоязненно получить из любой лужи вкусный и полезный напиток. В пакет из специальной полимерной пленки на основе целлюлозы с порами диаметром 3-5 ангстрем помещен порошок - смесь минеральных солей, витаминов и глюкозы. Погрузив пакет в водоем любой степени загрязненности илом, бактериями и вирусами, надо подождать некоторое время - и через поры вода вследствие осмоса втянется внутрь пакета, растворив его порошковое содержимое. Так как самая мелкая бактерия имеет в поперечнике около 2000 ангстрем (ангстрем - одна десятимиллионная миллиметра), а вирус - 50 ангстрем, то никакая зараза через пленку не проникнет. По утверждению фирмы, задерживается также до 95 процентов молекул пестицидов, других органических ядов и соединений тяжелых металлов. После этого в горлышко пакета вставляется соломинка, и можно пить напиток, восстанавливающий силы. Пакет вмещает до двух литров воды.

Другие интересные новости:

▪ Виртуальный телекинез

▪ Китайские безымянные смартфоны подешевели

▪ Вечерний кофе сбивает биологические часы

▪ Двухдиапазонный высокоскоростной повторитель ASUS RP-AC87

▪ Телевизоры Xiaomi Mi TV Master Series

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Микроконтроллеры. Подборка статей

▪ статья Факты - упрямая вещь. Крылатое выражение

▪ статья Какой музыкальный инструмент был первым? Подробный ответ

▪ статья Менеджер по рекламе и PR. Должностная инструкция

▪ статья Радио-калькулятор. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Вакуумные люминесцентные индикаторы ИЛЦ1-1/7, ИЛЦ2-1/7, ИЛЦ1-1/9. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026