自動(dòng)步槍擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析*

李 楊，孫非凡，羅永祥，管小榮，徐 誠(chéng)

（1.泰州學(xué)院船舶與機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 泰州 225300；2.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094）

0 引言

自動(dòng)步槍是一種通過(guò)被擊發(fā)子彈的火藥氣體產(chǎn)生的壓力和其復(fù)進(jìn)簧的彈力實(shí)現(xiàn)連續(xù)擊發(fā)的裝置［1］。在國(guó)內(nèi)外軍隊(duì)中，步槍等武器仍然是步兵最重要和最常用的武器，且在國(guó)防事業(yè)中處于越來(lái)越重要的地位［2］。

目前56 式自動(dòng)步槍在我國(guó)使用較為廣泛，屬于導(dǎo)氣式活塞短行程式步槍［3］。理論發(fā)射速度為600 發(fā)/min，設(shè)計(jì)壽命為10 000 發(fā)左右，超過(guò)此數(shù)量后步槍的膛線和撞針就有可能發(fā)生嚴(yán)重磨損而影響使用［4］。但是自動(dòng)步槍射擊速度非?？?，可以達(dá)到每分鐘數(shù)百發(fā)，單憑人類的肉眼無(wú)法有效地計(jì)數(shù)，所以設(shè)計(jì)一種可以自動(dòng)高效地統(tǒng)計(jì)擊發(fā)次數(shù)的裝置顯得十分必要。

由于所研究的對(duì)象為武器系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的此類文獻(xiàn)相對(duì)較少。目前主流的研究方法側(cè)重于使用紅外傳感器、溫度傳感器以及渦流傳感器等方式將子彈的擊發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行檢測(cè)［5-9］。

目前國(guó)內(nèi)外的研究主要都是圍繞與子彈有關(guān)聯(lián)的相關(guān)部位，來(lái)對(duì)子彈的射擊數(shù)目進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)數(shù)。本文旨在通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)自動(dòng)步槍拉機(jī)柄往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式，設(shè)計(jì)一種針對(duì)自動(dòng)步槍擊發(fā)次數(shù)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)數(shù)的裝置，從而用于判斷步槍的使用性能以及監(jiān)測(cè)步槍是否能夠正常工作。此外，此擊發(fā)計(jì)數(shù)裝置的設(shè)計(jì)也可以為研究探索自動(dòng)步槍的進(jìn)一步改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支持。

1 擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)步槍在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中是一種經(jīng)常使用的基本武器，是一種通過(guò)被擊發(fā)子彈的火藥氣體的壓力和其復(fù)進(jìn)簧的彈力實(shí)現(xiàn)連續(xù)擊發(fā)的裝置。它由槍管、擊發(fā)機(jī)構(gòu)、彈匣等多個(gè)部分組成。在擊發(fā)的過(guò)程中，先要由人工上膛的方式來(lái)進(jìn)行第一發(fā)子彈的上膛，在子彈上膛之后，射擊者盯著瞄準(zhǔn)鏡移動(dòng)槍的方向和角度至合適的位置后扣動(dòng)扳機(jī)進(jìn)行擊發(fā)。擊發(fā)時(shí)，自動(dòng)步槍的撞針會(huì)撞擊子彈底部，子彈中的火藥形成火藥氣體，推動(dòng)子彈穿過(guò)槍管經(jīng)由槍口高速射出，同時(shí)由于槍機(jī)的向后運(yùn)動(dòng)完成拋殼的動(dòng)作，在復(fù)進(jìn)簧的作用下完成下一發(fā)子彈的自動(dòng)上膛［10］。槍機(jī)與拉機(jī)柄固連，故在槍機(jī)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，拉機(jī)柄也會(huì)被子彈火藥氣體產(chǎn)生的推力完成后坐和復(fù)進(jìn)的動(dòng)作，從而可以完成下一發(fā)子彈的自動(dòng)上膛，進(jìn)而可以不用手動(dòng)上膛即可繼續(xù)下一次的擊發(fā)，直到子彈發(fā)射完畢為止。槍身的基本步槍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

圖1 步槍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simple structure of riflese

本文采用根據(jù)自動(dòng)步槍拉機(jī)柄的進(jìn)退運(yùn)動(dòng)，檢測(cè)其進(jìn)退的次數(shù)，從而間接地得到子彈擊發(fā)的數(shù)目其安裝結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳感器安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of sensor installation

如圖2 所示，將傳感器（接近開(kāi)關(guān)）放置于拉機(jī)柄的前方1 mm～2 mm（接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離一般為5 mm 左右），通過(guò)檢測(cè)拉機(jī)柄的接近與遠(yuǎn)離獲得檢測(cè)信號(hào)并傳輸至與之相連的單片機(jī)中，亦可使單片機(jī)按照預(yù)定的程序進(jìn)行計(jì)數(shù)。傳感器與一塊支架固連在一起，該支架可膠粘或焊接于槍身之上。

2 擊發(fā)計(jì)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在此自動(dòng)步槍的擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)中，采用八位數(shù)碼管來(lái)對(duì)計(jì)數(shù)的結(jié)果進(jìn)行顯示，采用AT89C51 單片機(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行分析處理。由于該電路中同時(shí)兼顧到測(cè)試按鍵擊發(fā)的使用、多位數(shù)進(jìn)位的準(zhǔn)確和誤差干擾的屏蔽，故在仿真分析時(shí)需要輸入3 個(gè)不同的信號(hào)，此處利用一個(gè)單刀三擲開(kāi)關(guān)將該3 個(gè)輸入信號(hào)有選擇地連接于單片機(jī)外部接口。輸入端的3個(gè)信號(hào)全部用來(lái)仿真驗(yàn)證，一個(gè)信號(hào)為按鈕，由人為手動(dòng)按下，它模擬接近開(kāi)關(guān)得到的擊發(fā)信號(hào)；一個(gè)信號(hào)模擬固定頻率的擊發(fā)是否可以準(zhǔn)確進(jìn)位和計(jì)數(shù)；一個(gè)信號(hào)則作為驗(yàn)證系統(tǒng)精度所使用。其proteus 仿真模型如下頁(yè)圖3 所示。

圖3 自動(dòng)步槍擊發(fā)計(jì)數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)Fig.3 fire counting detection system of automatic rifles

2.2 程序設(shè)計(jì)

自動(dòng)步槍在扣動(dòng)扳機(jī)后擊發(fā)子彈，子彈的高壓氣體反作用于槍機(jī)活塞，活塞帶動(dòng)拉機(jī)柄向后運(yùn)動(dòng)，隨后由于復(fù)進(jìn)簧的作用再次向傳感器方向移動(dòng)并停留于原位置，完成再次上膛。拉機(jī)柄每往復(fù)運(yùn)動(dòng)一次，傳感器就會(huì)獲得一次變化信號(hào)。

另外，此計(jì)數(shù)系統(tǒng)需要考慮到一個(gè)影響計(jì)數(shù)精度的因素是拉機(jī)柄在由復(fù)進(jìn)簧推動(dòng)而復(fù)進(jìn)到位時(shí)，會(huì)由于碰撞而向后發(fā)生小距離反彈，這次反彈會(huì)再次被接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)，而事實(shí)上此計(jì)數(shù)信號(hào)屬于干擾信號(hào)，此時(shí)并沒(méi)有子彈的擊發(fā)。所以應(yīng)該把該信號(hào)誤差屏蔽掉，否則便會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)的結(jié)果產(chǎn)生影響。由于56 式自動(dòng)步槍的擊發(fā)速度約為600 發(fā)/min，即0.1 s/發(fā)，即拉機(jī)柄前后運(yùn)動(dòng)一次的時(shí)間為0.1 s，而該小距離的反彈時(shí)間必定小于該工作過(guò)程時(shí)間的一半。故設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置一個(gè)50 ms 的時(shí)間間隔，在單片機(jī)得到傳感器的傳輸信號(hào)并成功計(jì)數(shù)一次后，從該次計(jì)數(shù)起的后50 ms 內(nèi)的信號(hào)都不再進(jìn)行計(jì)數(shù)。由此即可消除由拉機(jī)柄復(fù)進(jìn)到位反彈所造成的計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

本程序中采用Keil uVision4 中自帶的端口定義頭文件：

數(shù)碼管的數(shù)字顯示采用字符數(shù)組的方式，數(shù)組里面存放0～9 數(shù)字的代碼，以便于后續(xù)的調(diào)用。另外還需定義用于判斷是否誤計(jì)數(shù)的狀態(tài)變量及用于定時(shí)器定時(shí)的變量等，代碼如下：

由于接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到信號(hào)時(shí)輸出低電平，從高電平到低電平變化一次即代表接近開(kāi)關(guān)得到信號(hào)一次，所以設(shè)計(jì)單片機(jī)的觸發(fā)方式為下降沿觸發(fā)，此處采用INT0 中斷檢測(cè)的方式，則P3.2 口端口從1 變?yōu)? 則代表了接近開(kāi)關(guān)傳輸?shù)囊淮涡盘?hào)，即模擬了射出一發(fā)子彈時(shí)接近開(kāi)關(guān)的信號(hào)。

使用T0 定時(shí)器判斷信號(hào)檢測(cè)時(shí)間間隔是否大于50 ms，從而用于消除誤計(jì)數(shù)。代碼如下：

主函數(shù)中寫(xiě)入ET0，TH0、TL0 等參數(shù)，并相應(yīng)開(kāi)放EA 總中斷和各種定時(shí)器模式。其中，應(yīng)設(shè)置EA=1（開(kāi)啟總中斷）；ET0=1（開(kāi)放T0 中斷）；IT0=1（下降沿觸發(fā)）；EX0=1（打開(kāi)INT0 的中斷允許）；TMOD=0x01（定時(shí)器模式，T0 使用工作方式1）；TR0=0（打開(kāi)T0 定時(shí)器）。另外，一些數(shù)碼顯示子程序、延時(shí)子程序等較為通用，此處不再贅述。

3 擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)功能驗(yàn)證

3.1 擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)功能仿真驗(yàn)證

3.1.1 計(jì)數(shù)可行性仿真驗(yàn)證

連續(xù)點(diǎn)擊連接于P3.2 口的計(jì)數(shù)按鈕會(huì)發(fā)現(xiàn)每按下一次按鈕，數(shù)碼管的數(shù)字就會(huì)加一，并且能夠準(zhǔn)確進(jìn)位。固定頻率信號(hào)連續(xù)擊發(fā)5 663 次后的計(jì)數(shù)界面如圖4 所示。本設(shè)計(jì)的最大的計(jì)數(shù)數(shù)字為99999999，完全能夠滿足自動(dòng)步槍射擊壽命的計(jì)數(shù)需求。

圖4 計(jì)數(shù)界面Fig.4 Counting interface

若需要清零重新計(jì)數(shù)，則可以按下左側(cè)的復(fù)位清零按鈕，數(shù)碼管的顯示變?yōu)?0000000，可以重新進(jìn)行下一次的計(jì)數(shù)。

3.1.2 消除復(fù)進(jìn)到位反彈誤計(jì)數(shù)仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證拉機(jī)柄在接近開(kāi)關(guān)前側(cè)發(fā)生的反彈抖動(dòng)對(duì)計(jì)數(shù)的影響是否能夠被解決。為此將單刀三擲開(kāi)關(guān)撥動(dòng)至分段線性激勵(lì)源，分段線性激勵(lì)源可以自行隨意設(shè)置檢測(cè)信號(hào)，從而幫助分析驗(yàn)證計(jì)數(shù)系統(tǒng)能否完成功能需求。

將線性激勵(lì)源設(shè)為如下頁(yè)圖5 所示波形，此波形有6 次下降沿，但其中有2 次下降沿間隔小于50 ms，只有4 次下降沿間隔大于50 ms，故單片機(jī)應(yīng)當(dāng)只計(jì)數(shù)其中的4 次方可判定為計(jì)數(shù)正確，即接通電源后數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)字4 即為正確。仿真后結(jié)果如圖6 所示，成功驗(yàn)證了計(jì)數(shù)的正確性，消除了復(fù)進(jìn)到位后的反彈誤計(jì)數(shù)。

圖5 驗(yàn)證波形Fig.5 The waveform used for verification

圖6 消除誤計(jì)數(shù)驗(yàn)證結(jié)果Fig.6 Verification results of eliminating false counting

通過(guò)上述驗(yàn)證，可以看出，計(jì)數(shù)系統(tǒng)可以滿足一次計(jì)數(shù)后50 ms 內(nèi)無(wú)論任何信號(hào)進(jìn)入都不再計(jì)數(shù)的功能，由此消除了拉機(jī)柄反彈抖動(dòng)對(duì)計(jì)數(shù)的影響，可以使計(jì)數(shù)系統(tǒng)的計(jì)數(shù)結(jié)果準(zhǔn)確無(wú)誤。

3.2 擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)功能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文研究的是所設(shè)計(jì)遙控武器全系統(tǒng)中擊發(fā)計(jì)數(shù)的單一功能內(nèi)容，所使用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)是針對(duì)遙控武器全系統(tǒng)的控制箱跟上位機(jī)電腦，控制箱如圖7 所示。

圖7 控制箱Fig.7 Control box

該遙控武器系統(tǒng)使用電機(jī)絲桿拉動(dòng)拉機(jī)柄進(jìn)行首發(fā)裝填上膛功能，通過(guò)電磁鐵拉動(dòng)扳機(jī)進(jìn)行射擊，通過(guò)電磁鐵的吸合時(shí)間控制連發(fā)射擊子彈發(fā)數(shù)?？刂葡渖习装l(fā)裝填控制按鈕，發(fā)射按鈕可進(jìn)行單發(fā)射擊。X.KY1 與X.KY2 用于連接遙控武器上面的連接器?？刂葡渫ㄟ^(guò)RS-422 連接上位機(jī)電腦。上位機(jī)可用于對(duì)遙控武器的控制，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)。上位機(jī)控制軟件界面初始如下頁(yè)圖8 所示。

圖8 上位機(jī)控制界面Fig.8 Upper computer control interface

本實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行系統(tǒng)的擊發(fā)計(jì)數(shù)功能驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流程為：1）通過(guò)控制箱發(fā)出首發(fā)裝填指令；2）通過(guò)控制箱發(fā)出單發(fā)射擊指令；3）通過(guò)上位機(jī)發(fā)出單發(fā)射擊指令；4）通過(guò)上位機(jī)發(fā)出3 發(fā)射擊指令。

最終實(shí)驗(yàn)完成后的上位機(jī)軟件界面如圖9 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面Fig.9 Experimental result interface

通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，遙控武器槍支先進(jìn)行了上膛動(dòng)作，后陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了單發(fā)射擊、單發(fā)射擊、三連發(fā)射擊功能，與實(shí)驗(yàn)預(yù)期流程相吻合。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果界面可以看出，由于首發(fā)裝填指令是由控制箱通過(guò)RS-422 接口發(fā)出，故軟件界面最終RS422 首發(fā)裝填指令計(jì)數(shù)為1；第1 次發(fā)射指令由控制箱通過(guò)RS-422 接口發(fā)出，故RS422 發(fā)射指令計(jì)數(shù)為1；通過(guò)3 次發(fā)射指令共發(fā)射了5 發(fā)子彈，故電磁鐵吸合次數(shù)為3，子彈發(fā)射發(fā)數(shù)為5，剩余子彈25 發(fā)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的對(duì)遙控武器進(jìn)行計(jì)數(shù)，與仿真結(jié)果相吻合。

4 結(jié)論

本文針對(duì)自動(dòng)步槍擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，包括基于槍械結(jié)構(gòu)的傳感器安裝位置的研究，設(shè)計(jì)了計(jì)數(shù)系統(tǒng)檢測(cè)電路及檢測(cè)分析程序，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

通過(guò)仿真分析，成功地模擬了在子彈擊發(fā)過(guò)程中，拉機(jī)柄的前后運(yùn)動(dòng)被接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到并觸發(fā)信號(hào)的傳遞，單片機(jī)收到信號(hào)后按照預(yù)定的程序?qū)崿F(xiàn)了計(jì)數(shù)功能，且能夠消除擊發(fā)過(guò)程中的誤計(jì)數(shù)，方便快捷，準(zhǔn)確高效。同樣驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)系統(tǒng)的合理可行性，即所設(shè)計(jì)自動(dòng)步槍擊發(fā)計(jì)數(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果，可以很好地滿足實(shí)際需要。