Читаем 500 схем для радиолюбителей. Дистанционное управление моделями онлайн бесплатно

Моделирование — само по себе очень увлекательное занятие, но наибольший интерес представляет изготовление подвижных, особенно управляемых на расстоянии моделей.

Для оперативного (в режиме реального времени) изменения кинетических параметров, например направления и скорости движения, не обойтись без специальной аппаратуры. Самостоятельному изготовлению такой аппаратуры и посвящена данная книга: разумеется, приобретение готового комплекта (модели и системы управления), при всей его дороговизне, не подарит столько положительных эмоций…

В книге рассмотрены характеристики систем дискретного (передача разовых команд) и пропорционального управления, возможные каналы передачи команд (индукционный, инфракрасный, лазерный и радиочастотный).

В качестве основного канала передачи команд управления выбран радиочастотный как наиболее универсальный. Рассмотрены особенности построения, достоинства и недостатки передатчиков, приемников амплитудно- и частотно-модулированных сигналов. Для сверхрегенеративных приемников, традиционно входящих в состав систем дистанционного управления, приведено детальное описание самого принципа сверхрегенеративного приема (что должно облегчить настройку аппаратуры и поиск неисправностей) и разработанные автором конструкции сверхрегенераторов с внешней суперизацией.

Предложен и альтернативный вариант — приемник прямого преобразования, сочетающий простоту устройства с высокими характеристиками. Приведены принципиальные схемы таких приемников.

Особое внимание уделено специфическим узлам аппаратуры дистанционного управления: шифраторам и дешифраторам команд, сервоусилителям рулевых машинок и регуляторам хода.

Функциональные блоки унифицированы, что позволяет заменить любой из них аналогичным по назначению, без каких-либо дополнительных согласований по входу и выходу. Иными словами, из этих блоков, как из кубиков, можно конструировать различные варианты систем управления.

Все рассмотренные схемы выполнены на современной элементной базе и сопровождаются подробным описанием принципа работы, рисунками печатных плат, рекомендациями по настройке.

Специально для данной книги разработана конструкция радиоуправляемой модели автомобиля: следуя авторским рекомендациям, читатели могут приобрести опыт изготовления не только аппаратуры дистанционного управления, но и кинематических узлов (привода ходовой части и рулевого механизма), подарить детям оригинальную игрушку, а себе — замечательное хобби!

Необходимость использования систем дистанционного управления объектами возникает в различных областях техники — соответствующие устройства постоянно совершенствуются.

Различают автономные, неавтономные и комбинированные системы, особенности каждой из них подробно рассмотрены, например в [1]. Применяемая моделистами всего мира аппаратура относится к классу неавтономных систем командного управления. Рассмотрим общие принципы функционирования таких систем с помощью структурной схемы (рис. 1.1).

Рис. 1.1.Структурная схема командной линии управления

Моделист получает информацию о параметрах движения модели, как правило, за счет визуального наблюдения. На основе анализа этой информации принимается решение о требуемом наборе команд, подлежащих передаче. Ввод команд осуществляется с помощью соответствующих датчиков, входящих в состав пульта управления.

При дистанционном управлении моделями возникает необходимость в передаче на их борт команд двух типов. Во-первых, это разовые команды, предназначенные для включения или выключения различных исполнительных устройств (ИУ). Такие команды называют дискретными; соответствующая им аппаратура используются в простейших моделях или как составная часть в более сложных.

Датчиком обычно служит кнопка, нажатие которой инициирует передачу команды. Разделение каналов передачи дискретных команд реализуется посредством выбора для каждого из них различных модулирующих частот либо применением импульсно-цифрового кодирования.

Второй тип команд предполагает возможность плавного изменения какого-либо параметра движения модели пропорционально углу отклонения соответствующего органа управления на пульте передатчика, обеспечивая большую степень подобия управляемой модели ее реальному прототипу. Для передачи таких команд служит аппаратура пропорционального управления.

Набор команд, подлежащих передаче на борт модели, зависит от типа модели и от конкретной текущей ситуации в процессе управления, при этом необходимо обеспечить однозначную идентификацию команд на приемной стороне.

Очевидно, каждая команда должна иметь какой-либо признак, отличающий ее от остальных. Кроме того, команды, вводимые с помощью датчиков, должны представлять собой электрические сигналы. Для решения этих двух задач служит шифратор (кодирующее устройство). Получаемая на его выходе электрическая величина (ток или напряжение) называется командным сигналом. При одновременной передаче нескольких команд шифратор должен обеспечивать еще и уплотнение передаваемой информации. Подробнее эта процедура будет рассмотрена в разделе 1.2.2 настоящей книги.

Последнее устройство, входящее в состав пульта управления, называется передатчиком команд. Он предназначен для преобразования командного сигнала в вид, удобный для его дистанционной передачи на управляемую модель. Передатчик, среду распространения сигнала и приемник, находящийся на борту управляемой модели, принято называть каналом связи. В зависимости от среды распространения и используемых сигналов, каналы связи подразделяются на группы:

♦ проводные;

♦ индукционные;

♦ инфракрасные;

♦ оптические;

♦ радиочастотные.

Все они, за исключением проводных, будут рассмотрены в этой книге.

Приемник обычно выполняет три функции:

♦ во-первых, обеспечивает выделение полезного сигнала на фоне множества посторонних, как правило, присутствующих в среде распространения;

♦ во-вторых, сигнал в среде распространения существенно затухает, и требуется его усиление, часто весьма значительное;

♦ в-третьих, в приемнике производится преобразование принятого сигнала опять в командный, аналогичный тому, который имел место на выходе шифратора.

Декодирующее устройство, на основе отличительных признаков принятого командного сигнала, направляет его в соответствующее исполнительное устройство. В качестве такового, в случае передачи дискретной команды, выступают электромеханические и электронные реле. При пропорциональном управлении это регуляторы хода или рулевые машинки, назначение и устройство которых подробно описано в главе 4. Максимальное количество исполнительных устройств, устанавливаемых на одну модель, обычно не превышает 8—10.

В заключение отмечу, что весьма заманчиво установить на управляемую модель миниатюрную телекамеру с передатчиком. Такие устройства широко представлены в торговой сети в составе различных охранных систем. В этом случае управление производится по экрану монитора, что создает практически полную иллюзию нахождения внутри управляемой модели.

1.2.1. Дискретное управление

Как отмечалось выше, дискретная команда задается в простейшем случае нажатием кнопки на пульте управления, т. е. замыканием (или размыканием) какой-либо электрической цепи. Шифратор такого типа принято называть одноканальным.

Несмотря на простоту, аналогичное устройство можно использовать и для кодирования нескольких различных команд. Каждой команде (каналу) при этом соответствует различное количество нажатий кнопки за определенный фиксированный промежуток времени. Командный сигнал, в этом случае, представляет совокупность нескольких импульсов.

В декодирующем устройстве решение о значении принятой команды принимается по результатам подсчета количества импульсов за этот фиксированный промежуток. Долгое время такой принцип кодирования был основным в арсенале моделистов, разрабатывались даже устройства пропорционального управления, но последние были крайне неудобны в использовании.

Следующим этапом развития многоканальной аппаратуры стало применение частотного кодирования. Различным командам при этом соответствуют кнопки с различными номерами (названиями). Вырабатываемый шифратором командный сигнал для каждого из каналов представляет собой низкочастотное колебание определенной частоты.

Дешифратор на приемной стороне представляет собой набор узкополосных фильтров, настроенных на соответствующие частоты. Входы этих фильтров соединены параллельно. По номеру фильтра, на выходе которого появился сигнал, и судят о назначении переданной команды. Аппаратура дискретного управления в таком варианте может иметь до десяти независимых каналов с возможностью одновременной работы на трех из них.

При выборе значений кодовых частот для многоканальной аппаратуры необходимо учитывать два момента:

♦ во-первых, ширина спектра излучаемого сигнала Δf_с, например при амплитудной модуляции, равна удвоенному значению модулирующей частоты F_M, т. е.

Δf_с= 2F_M

Регламентирующие документы требуют, чтобы ширина спектра не превышала 20 кГц. Очевидно, максимальная модулирующая частота не должна превышать 10 кГц;

♦ во-вторых, командный сигнал на выходе приемника часто представляет собой сильно искаженное гармоническое колебание, а то и вовсе прямоугольные импульсы (меандр).

В этих случаях в спектре командного сигнала помимо основной гармоники присутствуют так называемые высшие (кратные) гармоники — колебания, частоты которых в целое число раз превышают основную частоту. Подробнее понятие спектра рассмотрено в разделе 4.4.1.

Очевидно, кодовые частоты должны быть распределены таким образом, чтобы кратные частоты низкочастотных каналов не совпадали с частотами последующих каналов. В противном случае возможны ложные срабатывания дешифраторов. Примерное распределение частот (в килогерцах) для десятиканальной аппаратуры может представлять ряд

0,75; 0,9; 1,08; 1,32; 1,61; 1,97; 2,4; 2,94; 3,58; 4,37.

Дешифратор на приемной стороне (рис. 1.1) должен содержать фильтры, настроенные на эти частоты, являющиеся достаточно низкими. Катушки индуктивности и конденсаторы фильтров в этом случае имеют значительные величины, а значит и геометрические размеры, что является существенным недостатком частотного способа кодирования команд. Несколько лучшие массогабаритные характеристики имеют активные фильтры на базе операционных усилителей.

С развитием цифровой техники появилась возможность модификации первого из рассмотренных способов кодирования.

Новый вариант получил название импульсного шифратора. При нажатии одной из кнопок на пульте управления такой шифратор автоматически формирует соответствующее количество импульсов. Отличительным признаком команды, позволяющим однозначно определить ее на приемной стороне, является количество импульсов, содержащихся в передаваемой посылке.

Наиболее совершенным способом кодирования дискретных команд является кодово-импульсное кодирование. Широко для этой цели используется двоичный код. При передаче конкретной команды ей в соответствие ставится двоичное число. В простейшем случае это число просто совпадает с номером команды.

Если максимальное количество команд, например не превышает 10 (двоичный код 1010), то для их передачи достаточно четырех разрядов. Процедура формирования кодовой посылки для этого случая поясняется графиками на рис. 1.2.

Для однозначной дешифрации двоичного числа необходимо знать, прием какого разряда производится в данный момент времени. Поэтому при формировании командного сигнала каждому разряду двоичного числа отводится фиксированный временной интервалτ_р. Границы соседних интервалов определяются тактовыми импульсами (рис. 1.2, а). Вся кодовая посылка при этом будет иметь длительность

T_к = n·τ_р

где n — количество разрядов двоичного числа.

Распознавание номера разряда на приемной стороне можно организовать двумя способами.

В первом случае в момент прихода начала кодовой посылки в дешифраторе запускается тактовый генератор, аналогичный генератору шифратора. Номер тактового импульса, подсчитываемый, например с помощью счетчика, и будет определять номер последующего разряда, подлежащего дешифрации. Разумеется, необходимо обеспечить одинаковую продолжительность разрядных интервалов в обоих генераторах. Для кодовых посылок значительной продолжительности эта задача достаточно сложна.

Во втором случае информацию о границах разрядных интервалов извлекают из самой кодовой посылки. Если в соседних разрядах кодовой посылки присутствуют разные цифры, то границу можно легко выделить как по положительному (между нулем и единицей), так и по отрицательному (между единицей и нулем) перепадам в командном сигнале.

На рис. 1.2, б командный сигнал отображает кодовую комбинацию 1100. В этом случае границу между разрядами на приемной стороне определить будет невозможно. В практических конструкциях используют модифицированный командный сигнал (рис. 1.2, в), получаемый путем смешивания исходного командного сигнала и тактовых импульсов.

Рис. 1.2. Структура командной посылки:

_{а — тактовые импульсы; б — командный сигнал; в — модифицированный командный сигнал}

Как видно из рисунка, граница между разрядами, содержащими нули, просто индицируется тактовым импульсом, а граница между соседними единицами — специальными врезками, представляющими инверсии тактовых импульсов. В главе 5 будет показано, что из модифицированного командного сигнала при помощи простых схемотехнических решений можно легко восстановить тактовые импульсы, необходимые для правильной дешифрации команды.