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無線電子工学および電気工学の百科事典 手の動きの制御。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
無線電子工学と電気工学の百科事典 / アマチュア無線デザイナー 提案された設計について説明する前に、重要な点に注意してください。 開発された非接触制御要素は、コンピューター技術だけでなく使用可能です。 ここで説明したデバイスの設計と目的は、考えられるアプリケーションの一例にすぎません。 航空史のファンの間では、多数の追加機能を備えたコンピューター ゲーム「IL-2. Forgotten Battles」が人気があるのは当然のことです。 戦闘コースで対空砲で苦しめられる機体を導く実験室の実験のように、攻撃機パイロットの冷静な勇気を注意深く正確に説明できる歴史教科書は一つもない。 あるいは、視界の中にボイサンのシルエットが大きくなるのを見て、雷電パイロットの熱狂的な興奮。 ただし、仮想パイロットの位置は実際のパイロットほど快適ではありません。 モニター上の画像は現実よりも劣っており、キーボードを操作する手が足りません。 最後の問題は、ジョイスティックを使用すると部分的に解決されます。 ここには、ステアリングホイールを制御するためのペダルがさらに追加されます。 ただし、これらは非常にまれで高価なデバイスでのみ利用可能です。 確かに、安価なモデルでも、ペダルまたはガスセクターとして、必要に応じて使用できる1番目のレギュレーターがあります。 ジョイスティック (図 XNUMX) を開いてみると、すべての可変抵抗器 (ポテンショメータ) の両端が並列に接続されていることがわかりました。 明らかに、XNUMXつまたは別の定電圧がそれらから除去され、回路に供給されます。 これが開発の出発点でした。 最も単純な解決策は明白です - 軸が可変抵抗器になるペダルを作ることです。 これらは、実際の航空機のシミュレートされた制御システムを補完できます。 しかし、このようなソリューションには、技術的および歴史的信頼性が高いことに加えて、重大な欠点もあります。 デザインは非常に大きくて重いです。 床に取り付けるのに問題があります。 戦闘の最も熱い瞬間、または La-5FN のような「獣」が強力なエンジンの反動トルクによって回転するのを防ぐ必要がある場合、ペダルを適切に踏まないことに抵抗するのは困難です。 機械部品のバックラッシュは制御を困難にします。 可変抵抗器の磨耗も嬉しくありません。 一言で言えば、それほど歴史的ではありませんが、より便利でコンパクトな他の設計が必要です。 iPhone のこれらすべてのマウス、キーボード、タッチ スクリーンを「装備」して、確実に直接接触を必要とし、制御プロセスをパネルの表面から切り離して、その上のボリュームに転送したらどうでしょうか? キール・ブリチョフの物語の一つで、「宇宙人が緑色の光の上に手のひらをかざした。緑色の光が消え、再び前より明るく点灯した。」という言葉を思い出してください。 私たちにもこれができます。 非接触制御について考えるときに最初に思い浮かぶのは光学です。 ただし、ほとんどの光学システムは送信またはビームの遮断で動作します。 光源と受光器の間の隙間に手を入れてみませんか？ 誰がそのような「非接触」デバイスを必要とするのでしょうか？ 反射回路は通常、コントラスト印刷された特殊なマークやバーコードを処理します。 同時に、あらゆる色や質感の物体に対する彼らの反応の信頼性も疑問です。 もう XNUMX つの状況により、設計者の選択の自由が制限されます。つまり、最適な光学機器にはレーザーが使用されます。 しかし、それらの放射線は視覚に有害であるため、人が見るコントロールパネルにそれらを使用することは望ましくありません。 動作中に避けられない光学部品の汚染や埃も、時折問題を引き起こすことがあります。 最後に、複数のセンサーがある場合、回路が大幅に複雑になり、コストが増加します。 そこで、静電容量センサーを使用することにしました。 最初のこのようなシステムは発振回路を使用しており、非常に不安定でした。 電源を入れるたびに、ほぼ毎回調整する必要がありました。 その後、パルス遅延の原理に基づいた、より安定したデジタル設計が登場しました。 ただし、これらは通常のタッチ デバイスでした。 彼らの作者は、明らかに、直接触れずに動作するデバイスを想像するのに十分な想像力を持っていませんでした。 試してみることにしました... 図 1 を見てください。要素 D1.2、D1.1 のジェネレーターは、D1.3、D1.4 のエッジに沿ってパルス整形器へのパルスを生成します。 その出力 (ピン 11) では、ジェネレータ出力 (ピン 1) からのパルス フロントの到着後の瞬間を除いて、常に論理 3 になります。 チェーン R4、R3、CA のパルスの遅延時間中、D1.4 のすべての入力で論理 1 が設定され、出力で論理 0 が設定されます。ゼロパルスは小さく、整形器の出力における平均化された定電圧は平滑化される R6、C3 は論理ユニットと実質的に変わりません。 しかし、センサー容量が増加するとすぐに、ドライバーの出力の論理 0 がクロック パルス周期の大部分を占め、出力電圧が低下します。 デバイスの適切な感度を得るには、シェーパー パルスの持続時間がクロック パルスの周期に匹敵する (ただし、クロック パルスの周期を超えてはいけない) 必要があります。 これは、少なくとも 100 kHz のクロック ジェネレータ周波数で達成可能です。
次に、静電容量センサーの設計を見てみましょう (図 2)。 これは水平に配置されたフォイルグラスファイバーのプレートです。 30 番目の (接地) カバーはブリキのケーシング スクリーンで、その中にデバイス基板が垂直に配置されます。 これらは、プレートが互いに垂直に配置された、やや珍しいセミオープンコンデンサを形成します。 それは明らかに、フィールド内に導電性と誘電性の両方の物体を置くと、その能力を増加させることによって反応します。 物体は少なくとも XNUMX mm の距離で感じられます。 この設計により、さまざまな干渉や不安定性を克服できるかなり広い信号が得られます。 また、オペアンプ DA1 は、その振幅を任意の必要な値にすることができます。 足をプレートに近づけると、飛行機の舵が回転します。 脚を上下に動かすと、プロセスが逆になります。
実際の飛行機のペダルと同様に、1.3 つの静電容量センサーがあります。 一方のセンサーからの信号はアンプの反転入力に接続され、もう一方のセンサーからの信号は非反転入力に接続されるため、出力電圧はそれらのバランス、つまりどちらの脚をより多く「与える」かによって決まります。 同時に、クロックジェネレータとD9インバータの両方を複数のチャネルで共通にできるため、回路はそれほど複雑ではありません。 スムーズなレギュレーションのためにオペアンプを数桁増幅することは明らかに冗長です。 負帰還回路を導入することで、コントロールの「ギア比」を変更することができます。 R5 はゲインを低下させ、交流ではコンデンサ CXNUMX のおかげでフィードバックがさらに深くなります。これにより、自己発振の可能性が排除されます。 デバイスのプリント回路基板を図 3 に示します。静電容量センサーが接続されている領域の箔のない基板領域には、初期静電容量を低減して感度を高めるために、直径約 3 mm の穴が多数開けられています。デバイスの。 未使用の D2 要素の入力は、静電荷による損傷を避けるために接地されます。 これらの導体を薄くすることをお勧めします。 その後、必要に応じて (動作中の要素の失敗や一部の変更)、それらの要素を切り取って使用できるようになります。
デザイン。 静電容量センサーのプレートは、ホイルが上を向くように配置されています。 これらはヒンジ付きで、持ち上げてケースの壁に押し付けることができ、コンパクトな箱を形成し、持ち運びや保管に便利です。 この目的のために、切り欠きの領域で、直径0,8 mmの銅線のスクラップから車軸がはんだ付けされます。 また、回路へのフレキシブルワイヤ（できればMGTF）と、ワイヤの剥がされていない部分を保持し、剥ぎ取り点でのワイヤの断線を防ぐワイヤリングもプレートにはんだ付けされています。 すべてのはんだ付けが完了したら、センサーの作業面を異物との電気接触から絶縁する必要があります。 多くの場合、これには幅の広い粘着テープで十分です。 本体は厚さ2mmのU字型プラスチックフレームです。 プラスチックの切れ端からボードとボスのガイドを切り出し、内側から接着し、そこにスクリーンケースを取り付けるためのネジ穴を開けます。 センサープレートはケースの下部脚の切り込みに軸とともに挿入され、オーバーレイで密閉され、ボードの下部も固定されます。 U字型のケーシングスクリーンはブリキ製です。 初期容量と支持面の影響を軽減するため、ケース底面まで数ミリ届かない仕様となっております。 同調抵抗器 R4 の反対側のスクリーンに穴が開けられます。 内側からフレキシブルワイヤがスクリーンにはんだ付けされ、基板の共通ワイヤに接続されます。
確率。 R4を中間の位置に設定します。 RЗの代わりに、約1MOhmの抵抗値に調整した抵抗を短いワイヤにはんだ付けします。 最小値に設定してください。 トリマーやそのワイヤー、その他の物体が CA センサーの視野に入らないように注意してください。 DD11 のピン 1 の定電圧が 20 ～ 25% 減少するまで、抵抗を滑らかに増加させます。 これは、デバイスが周囲の空間を感知し始めたことを示す信号です。 トリマの抵抗値を測定し、同じ定抵抗器に交換し、SB センサの領域に入らないようにトリマを R5 の場所に移動します。 4 番目のドライバーの出力を最初のドライバーの出力と同じ電圧に設定します。 デバイスの組み立てが完了したら、細い誘電体ドライバーを使用して抵抗 RXNUMX の最終バランスを設定します。 ドライバーを取り出して、オペアンプの出力の電圧を確認します。電源電圧の半分に近いはずです。 このデバイスは、IL-2 プログラムと Condor 機体シミュレーターでのテストに成功しました。 リアルさの度合いは実際の航空機に非常に近いことがわかりました。 ただし、上記のプログラムは翼のない人々のために作成されたものではありません。 パイオニアのボールを見て、少しトレーニングすれば、すべてうまくいくでしょう。 すでに述べたように、提案された非接触制御要素はコンピュータ技術だけで使用できるわけではありません。 ほとんどの場合、ここで説明したような 5 チャンネルの平衡回路は必要ありません。 図 XNUMX に示すように、単一のチャネル要素を作成できます。
シェーパの出力はオペアンプの反転入力に接続されているため、初期状態ではデバイスの出力の電圧は低くなります。 非反転入力の電圧は、トリマー R10 によってスイッチングしきい値のすぐ下に設定されます。 静電容量センサーに手を近づけると、デバイスの出力電圧が上昇し始めます。 デバイスを調整したり、単にオン/オフにするために使用できます。 後者の場合、OOS 回路は必要ありません。 デバイスを使った実験中に、このオプションは非常に有効であることが判明しました。 非接触制御を機器に組み込む場合、センサーは前方だけでなく後方、つまり機器本体内の物体によってもたらされる容量に反応することに留意する必要があります。 この寄生容量が小さいことが重要であり、最も重要なのは変化しないことです。 センサーマウントが緩んでいたり、センサーの横にワイヤーがぶら下がっていると、設定が混乱する可能性があります。 これでは良好な感度が得られません。 ドアやサッシなどの動きに非接触制御（6つの独立したチャンネル）を使用するのは興味深いことです。 図 XNUMX に示すように、ハンドルに XNUMX つのセンサーを取り付けることで、サッシに触れずに任意の位置にサッシを「押す」ことができます。
もちろん、従来のトグルスイッチとレギュレーターはよりシンプルで安価です。 しかし、提案された非接触制御要素の方が好ましい応用分野はまだあります。 たとえば、危険な作業条件下で、機器との電気的接触や感染の伝播などを完全に排除する必要がある場合です。したがって、将来的には、多くの機器が、リモコンを備えていなくても、文字通り手を一振りするだけで制御できるようになります。コントロール、トークン、またはその他のデバイス。 著者：A.Lisov
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