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竞技坦克的设计本科学位论文
竞技坦克的设计
徐亮
(自动化与电气工程学院指导教师:
张震宇)
摘要:
你可能乘过飞机(当然不是战斗机),也可能坐过轮船(当然不是军舰),但是,你大概没坐过坦克。
坦克和汽车的区别,比起民航飞机和战斗机、客轮和军舰的区别要大多了。
本毕业设计将把坦克缩小15倍,让你在弹指间感受它带来的魅力。
本毕业设计的坦克模型包括车体及设置在车体内的电源、IC控制板及行走机构、无线电接收器、以及设置在车体顶部的炮塔和炮管等部件,炮塔内另设有炮塔转动装置、炮管抬动装置,还设有发声、发光及发烟装置,并可配备由激光发射器,无线摄像头组成的火控系统。
除此,还可以通过每辆坦克设置不同频率的晶振,实现多部坦克在同一地点同一时候共同参与“实战演习”。
目前市场上并没出现一款真正意义的可以作竞技娱乐的玩具坦克,可见制作一辆仿真的遥控坦克,并在上面加装一定的竞技设备,使之成为一种竞技娱乐,将为日常生活提供一种别样的乐趣。
关键词:
坦克;无线电;遥控;竞技
Abstract:
Youmayhaveanexperiencebyplane(ofcourse,notfighters),orbyship(ofcourse,notwarships),butyouprobablyneverhadbeenintanks.Thedistinctionsbetweentanksandvehiclesarebiggerthanthoseofcivilaircraftandfighters,passengershipsandwarships.Mythesisdesignistonarrowthetanksby15timesandletyoufeelitscharminasnapofthefingers.
Thismodeltankincludesthebodyandthepowersupplysetupinit,ICcontrolpanelandwalking,radioreceivers,andbarbetteandotherpartsofgunbarrelontopoftheturret,therearealsoaturretrotatingdevices,barrelliftdevices,themodelisalsoequippedwithaudible,luminescenceandsmokedevices,andoptionallasertransmitters.Andfire-controlsystem.consistsofthewirelesscamera.Furthermore,itcouldalsosetupfrequencyoscillatorforeachtank.Itispossibleformulti-tanksatthesamelocationinthesametimetoparticipateinthecombatexercises.
Currently,themarkethasn’twitnessestherealmeaningoftoytankthatcanbeusedforentertainmentandcontest,obviously,itwillsupplyakindafunforlifetomakeasimulatedremotecontroltank,whichequippedcompetitivedevicesandmakeitasakindofcontestandaentertainment.
Keywords:
Tanks;Radios;Remotecontrol;Competitive
1绪论
随着电子工业技术的发展,电子技术在玩具工业中得到了广泛的应用,近些年市场就出现了一些遥控玩具坦克,比起已风靡一时的遥控汽车,这些遥控坦克具备了卓越的机动性,让玩家有耳目一新的感觉。
但它们功能简单、做工失真、缺少娱乐性,也不具备坦克对战要求的竞技性。
玩具竞技坦克是真实坦克的一个缩影,它必须具备以下特点:
(1)对车体能进行全方位遥控。
有爬坡,射击,炮塔旋转,炮筒上下移动,红外瞄准,确定方位等模拟效果。
采用履带行进,全驱动轮悬挂避震系统,通过设置不同的遥控信道,使得多组坦克车可同时在一场地操作,不会信号干扰,实现坦克群战!
(2)在行走装置上,采用两个独立的电机分别控制两侧的驱动轮,采用两个独立的通道控制两侧电机的正反向旋转和停止。
采用微电子调速技术来控制电机转速,以而达到任意控制坦克的行走速度。
(3)具备火控瞄准系统,能在遥控上的LCD监视器的屏幕上显示出与炮管平行装置的红外发射器发射的红外光。
红外瞄准具有指哪打哪的效果,此举将大大增强玩具坦克的实战性。
(4)可以多人共同玩耍。
通过设置不同的遥控信道,可同时在一个场地里操作多组坦克,不会产生信号干扰,模拟坦克群作战!
本次探讨、设计的竞技坦克将玩具的趣味性、科学性、艺术性和实用性很好地结合起来,除具备普通玩具所具备的前进、倒退、左右转等基本动作外,竞技坦克增加了炮塔左右转、炮管上下调以及开炮等动作,与此同时还增加的特色功能有:
坦克行走速度可调节;炮管上装置红外瞄准器;车身上的微型摄像机扑捉的图象可即时传到遥控器上的监视器;通过设置不同的遥控信道,可以多人共同玩耍。
这些不仅可使游戏者玩起来感到有趣,还可以激发其科学兴趣、开发儿童智力,增强动手能力。
2坦克简史
乘车战斗的历史,可以追溯到古代,中国早在夏代就有了从狩猎用的田车演变而来的马拉战车。
但坦克的诞生,则是近代战争的要求和科学技术发展的结果。
第一次世界大战期间,交战双方为突破由堑壕、铁丝网、机枪火力点组成的防御阵地,打破阵地战的僵局,迫切需要研制一种火力、机动、防护三者有机结合的新式武器。
“坦克”一词是英语“tank”的音译,原意是储存液体或气体的容器。
这种战斗车辆参战前,为保密而取用这个名称,一直沿用至今。
其大致历史为:
1915年,英国政府采纳了E.D.斯文顿的建议,利用汽车、拖拉机、枪炮制造和冶金技术,试制了坦克的样车;
1916.9.15,索姆河战役中,世界战争史上第一次出现了坦克的身影一一马克1型;
1918.4.24,世界上第一次坦克战开始一一德国的A7V型对英国的马克IV和"赛犬'A型;
一战结束后,战败的德国充分认识到未来战争高机动性的特点,大力发展坦克和坦克战理论;
二战爆发,闪电战给德国带来了辉煌的战绩,由此,坦克在战争史上占据了重要地位,坦克技术、战术等得到充分发展。
现在,有关专家将坦克划分为以下几代:
45年~59年为战后一代,代表为苏联的T54\T55,美国的M48巴顿,英国的“百夫长”等。
60年~79年为战后二代,又叫主战一代,其代表为苏联的IIT-76\T62,美国的M60A,德国的豹1主战坦克,法国的AMX-30,英国的酋长。
二代坦克以口径增大\装甲加厚等为特点。
80年~95年为第三代(主战二代),代表有:
苏联的T72\T80,美国的M1,英国的挑战者,日本的90式等。
特点为大量引进高新技术,特别是火炮控制系统最为出色。
进入21世纪,第三代主战坦克已闪烁面向未来之光,代表有德国的豹2A5\豹2A6,美国的M1A2,英国的挑战者2,日本的90式,俄罗斯的T80\T90,以色列的梅卡瓦3。
坦克是具有强大直射火力、高度越野机动性和坚强装甲防护力的履带式装甲战斗车辆。
(1)组成
坦克由武器系统、推进系统、防护系统、通信设备、电气设备及其他特种设备和装置组成。
坦克按主要部件的安装部位,通常划分为操纵、战斗、动力-传动和行动4个部分。
(2)分类
20世纪60年代以前,坦克多按战斗全重和火炮口径分为轻、中、重型,大致以重量及火炮口径分类,比如通常轻型坦克重10~20吨,火炮口径不超过85毫米;中型坦克重20~40吨,火炮口径最大为105毫米。
60年代以后,多数国家将坦克按用途分为主战坦克和特种坦克。
主战坦克取代了传统的中型和重型坦克,是现代装甲兵的主要战斗兵器,用于完成多种作战任务。
特种坦克是装有特殊设备、担负专门任务的坦克,如侦察坦克、空降坦克、水陆坦克和喷火坦克等,多为轻型坦克。
(3)现代主战坦克
a总体结构
仍为传统车体与旋转炮塔的组合体;总体布置多是驾驶室在前、战斗室居中、动力─传动室在车体后部且发动机纵置。
但有的坦克将发动机横置;有的坦克将动力─传动装置布置在车体前部。
b通信设备
一般装有1部短波或超短波调频电台和1套坦克车内通话器,车外有用于步坦联络的通话盒,指挥坦克通常装备两部电台。
坦克电台多采用半导体器件,并开始采用集成电路,带有保密机、抗干扰装置和微处理机控制器,最大通信距离可达25~35千米。
c电气设备
电源采用低压直流供电体制,坦克各控制系统引入了大量电气、电子部件,有的用电装置采用了自动程序控制,并开始形成一个信息传输、功率控制、数据处理和故障自检的多路传输的统一控制体系。
d防护系统
车体和炮塔前部多采用金属与非金属复合装甲,例如美国M1系列坦克采用了贫铀装甲,极大提高了防护能力。
车体两侧挂装屏蔽装甲,有的坦克在钢装甲表面挂装了反应装甲,有效地提高了抗弹能力,特别是防破甲弹穿透能力。
为扑灭车内火灾和防止破甲弹穿透装甲后引起车内油气混合气爆炸,车内多装有自动灭火抑爆装置。
为减轻核、化学、生物武器的杀伤破坏,车内安装有三防装置,有的在乘员室的装甲内表面附设有削减中子流贯穿的防护衬层。
此外,还配有烟幕装置及其他伪装器材和光电对抗设备,并采取进一步降低车高,合理布置油料和弹药,设置隔舱等措施,使坦克的综合防护能力显著提高。
e推进系统
多采用废气涡轮增压、中冷、多种燃料发动机,有的采用了电子控制技术,如M1和T-80坦克安装了燃气轮机。
发动机功率多为883~1103千瓦,转速2300~2600转/分,单位体积功率达543~794千瓦/米,燃油消耗率231~271克/千瓦小时。
传动装置多采用电液操纵、静液转向的双功率流动液行星式,将动液变矩器、行星变速箱、静液或动静液转向机构、减速制动器等部件综合成一体。
f武器系统
多采用120毫米或125毫米口径的高压滑膛炮。
有的坦克炮有自动装弹机,有的坦克炮可发射反坦克导弹。
辅助武器仍多采用7.62毫米并列机枪、12.7毫米或7.62毫米高射机枪,有的装有榴弹发射器。
g火控系统
普遍装备了以电子计算机为中心的火控系统,包括数字式火控计算机及各种传感器、炮长和车长瞄准镜、激光测距仪、微光夜视仪或热像仪、火炮双向稳定器和瞄准线稳定装置、车长和炮长控制装置等。
(4)展望
坦克仍然是未来地面作战的重要突击兵器,许多国家正依据各自的作战思想,积极地利用现代科学技术的最新成就,发展21世纪初使用的新型主战坦克。
坦克的总体结构可能有突破性的变化,出现如外置火炮式、无人炮塔式等布置形式;火炮口径有进一步增大趋势,火控系统将更加先进、完善;动力传动装置的功率密度将进一步提高;各种主动与被动防护技术、光电对抗技术以及战场信息自动管理技术,将逐步在坦克上推广应用等等。
可以预料,新型主战坦克的摧毁力、生存力和适应性将有较大幅度的提高。
3竞技坦克的整体结构
3.1系统总体结构
图1主战坦克的侧面图
1.导向轮2.负重轮3.驱动轮4.火炮瞄准系统5.炮管6.复合装甲
7.高射机枪8.炮塔9.侧裙板
图2竞技坦克设计的展开图
本毕业设计的模型坦克包括炮塔盖体
(1)、炮塔下盖体(3)、基座上盖体(4)、基座底盘(7)、设置于基座底盘之上分别控制坦克两侧履带式车轮的运动机构(6)组成。
运动机构(6)两侧的履带驱动轮可分别转动,实现坦克的旋转、急转弯和后退等多种高难度动作;由于采用塔台运动机构(5)和(8)、塔台内控制炮筒的运动机构
(2)以及炮弹发射机构(9)实现了坦克上部炮塔可相对于基座旋转、炮筒可上下调节仰角选择不同角度发射炮弹的功能。
3.2系统部件描述
3.2.1行走装置
采用两个独立的电机分别控制两侧的驱动轮,采用两个独立的通道控制两侧电机的正反向旋转和停止。
行走的动力用的是普通电机,电机速度控制是用调整电压占空比的方法实现的。
它的优点是能源利用率高,电机速度控制均匀。
图3左右驱动轮的马达和减速齿轮
3.2.2悬挂
一般的遥控坦克都采用硬悬挂,即轮子与车体直接固定连接,行驶能力有限,速度不快。
为增加减震效果,提高真实感,本设计采用独立悬挂,前轴既能调整前后位置又有减震结构,以确保履带松紧度调整和导向轮减振;负重轮及其悬挂装置采取减振臂与底盘用转动螺杆连接、扭簧减振结构,保证负重轮左右间隙小,减振效果好,模型车体大部分重量由中间负重轮支撑,使模型行进前后轻微晃动,行驶仿真度高且转弯灵活。
3.2.3炮塔
如图8,炮塔下盖体和基座上盖体之间采用圆珠支撑,确保炮塔盖在基座上盖上旋转灵活且不翘动;能完成炮塔左、右旋转,炮身自由上下调,炮弹发射等高级功能。
因可知的因素主炮不采用火药发射,而是采用类似电动气枪原理的玩具电动炮,它具备自动添装BB弹的功能。
3.2.4火控(瞄准)系统
材料:
微型无线摄像头、无线影音接收器、LCD监视器(微型电视机)、激光发射器。
实现方案:
在LCD监视器的屏幕上显示出与炮管平行装置的红外发射器发射的激光,因激光瞄准具有指哪打哪的效果,此举将大大增强坦克的实战性。
3.2.5电池
车体采用1700mAh7.2V大容量充电电池;无线影音接收器、LCD监视器共用一块12V充电电池。
使用充电电池的好处:
一是它容量大,大大延长了游戏的时间;二是它可反复充电使用,减少使用成本。
3.2.6整车外形
采用模具加工与手工制作相结合,成品如下图:
图4右侧视图
(1)
图5右侧视图
(2)
图6左后视图
图7正视图
(1)
图8正视图
(2)
图9正视图(3)
3.2.7遥控器外观
图10遥控器正面图
图11遥控器反面图
3.3设计流程
3.3.1设计概述
通过无线电遥控指挥坦克以不同的速度前进、后退、转弯;炮塔左右、炮管上下转动,其辅助功能还有照明、声音以及冒烟等功能。
3.3.2设计思想和技术关键
竞技坦克除了功能强大外,还需要做到控制的及时准确,否则就无任何意义。
要做到这一点,编码信号通过无线电波传输的过程中接收部分能准确的甄别出编码信号是一个关键的地方。
不能把不是发射编码的信号用来解码,也不能遇到一点电波干扰就不解码。
要达到这一效果除技术上要采取窄带无线传输、编码中设计特征码和一些融错设计。
3.3.3流程
图12设计流程图
注:
“搜集资料”包括如下内容:
毕业设计作品的开发计划,作品需要的功能性,初步设计示意图,以及设计审核、可行性的分析。
4竞技坦克的电子设备
4.1无线电遥控基础知识
无线电遥控,英文“RadioControl”,简称RC。
无线电遥控就是利用电磁波在远距离上按照人们的意志实现对物体对象的无线操纵和控制,这种无线控制的方式就叫做无线电遥控。
无线电遥控技术的诞生,起源于无线电通讯技术,最初的构想是无线电电报技术的建立,真空电子管的发明使得无限电技术的应用和普及很快应用在民用和军用等各个领域。
在第一次世界大战时,无线电遥控应用较多的是在军事上,将遥控装置安装在鱼雷上,当鱼雷发射后利用遥控鱼雷去攻击敌方的船只和舰艇,使得鱼雷的命中率大大的提高。
到了第二次世界大战时,纳粹德国又将无线电遥控系统安装在V—2火箭上,对英国伦敦进行了大规模的轰炸,在那时可以说无线电遥控技术发挥到了极至。
后来随着晶体管的发明和集成电路的诞生,无线电遥控技术达到了更加完善的程度,涉及导弹、卫星、航天飞机等高科技领域。
70年代后期,模型用的无线电遥控设备也以商品的形式逐渐出现。
随着现代电子技术的飞速发展,模型用遥控设备不但实现了商品化,可靠性和灵敏度也越来越高;还形成了许多系列和品种,能满足不同层次的爱好者及不同模型的技术要求。
(1)无线电遥控的原理
无线电遥控设备的工作原理大致为:
操纵者通过手中的遥控发射机(拨动发射机上的旋钮和摇杆)将控制模型前进、刹车(后退)、左右转弯的指令变成电讯号并将其发射到空中,模型车上装载的遥控接收机收到这些电讯号后再由伺服舵机转换成机械动作,从而实现对模型车的遥控。
(2)遥控设备的分类
遥控设备的款式和种类很多,通常按其通道数分类。
我们把通行指令信号的道路叫作:
“通道”,一台遥控设备如果只能允许一种指令信号通行,即只能够接收一种指个信号,那么,我们就说这台遥控设备只有一个通道,模型用遥控设备有两通道、四通道……甚至十通道等多种。
按调制方式,遥控设备还可分为调幅(AM)式;调频(FM)式;调幅式比较简单实用,价格也便宜;调频式则性能可靠、稳定,不易受其它信号的干扰。
另外还有一种比调频式更高级的脉冲编码式(PCM),具有更强的抗干扰性,当然价格也很昂贵。
(3)遥控设备的组成:
遥控设备一般由发射机、接收机和伺服舵机(电子变速器)组成。
a发射机
发射机是用来将操纵指令转换为带有控制信息的无线电信号并向空中辐射。
车辆模型用的发射机有杆式和枪式两种。
杆式发射机有两个操纵杆,左边的用来控制模型的速度及刹车(或后退),右边控制模型的方向。
枪式发射机用一个转轮(方向盘)和一个类似手枪扳机的操纵杆来分别控制方向和速度。
除了这些基本功能之外,一些较高级的发射机还应用了先进的电脑科技,增加了许多附加的功能,如:
储存多部模型车的调整数据,一机多用:
有计时、计圈功能,方便练习和比赛;遇信号干扰或遥控设备供电不足自动将油门锁定在最小位置并刹车;有大型液晶显示屏幕,可显示工作状态和各种功能等等。
b接收机
接收机是用来接收发射机发出的无线电信号的,由于接收机是装在模型车上的,一般都尽量作得很小巧,例如:
日本产的FUTABAR-113F型接收机,只有一个火柴盒大小,重量仅18克,却有着很高的灵敏度,能接收近千米外发射来的无线电信号。
接收机一般都要与发射机配套使用,通常使用4.8—6V直流电源(4节5号电池)。
c伺服舵机
伺服舵机的作用是把接收机收到的电信号转换成相应的机械动作。
伺服舵机根据不同用途又可分为普通舵机、强力舵机和微型舵机。
普通的模型车本身自重不大,行驶的路面又不太复杂的话,普通舵机就能满足使用要求。
但如果是竞赛用的模型,速度快负载也大,要求就要高一些了。
速度和扭矩是舵机最重要的两个基本参数。
一些高水平的选手所选用的舵机通常是:
速度在0.05—0.10秒/60º,扭力达4—7.5N•cm。
d电子变速器
电子变速器只用在电动模型上,是一种专门调速用的伺服装置,与普通的机械式调速器相比,有体积小、寿命长、效率高、输出功率大等优点。
其性能指标主要看可允许通过电流及内阻的大小。
性能较好的电子调速器都有较大的可通过电流值和极小的内阻,调速的线性也很好。
(4)遥控设备的使用频率
遥控模型使用的遥控设备,其工作频率一般都在业余无线电波段内。
有关我们国家的无线电模型遥控器使用频率的详细规定见附录3。
4.2无线遥控设备
4.2.1发射部分发射机的原理
图13发射机电路原理图
如上图所示,发射机电路由选频电路、放大电路、译码电路等部分组成。
编码部分采用一片CMOS施密特六反相器CD40106和一片十进制脉冲分配器CD4017。
RP1~RP4是四个比例操作电位器。
编码过程为:
门A和门B组成反复震荡器,每隔20ms给IC2清一个零,IC2被清零以后,Q0端输出高电平,其余都是低电平。
Q0端高电平通过VD5和R7给电容C4充电,当C4上的电平达到门E的开门电平时,门E输出一个负跳变脉冲。
门F和门D组成一个单稳态触发器,静态时因电阻R9接地的限制,门D输出高电平,门F输出低电平。
当门E输出负跳脉冲时,单稳态触发器被触发,门F输出一个正脉冲。
该脉冲一方面作为编码的同步脉冲,经门C反相后加到变容二极管VD9上对本振进行频率调制;另一方面送到IC2的移位端14脚作为移位脉冲。
在门F输出正脉冲时,门D输出负脉冲通过二极管VD7将电容C4上的Q1通过VD4、RP4、R7再次给C4充电。
当C4上的电平达到开门电平时,门E又会输出一个负脉冲并再次触发单稳,产生第一路的信号脉冲。
调节RP4可以改变C4达到开门电平的时间,从而调节两个脉冲的间隔,所以RP4也是比例操作电位器。
这样,高电平从Q0~Q4移动一遍,便产生一组编码脉冲,称为一帧。
通过总成操纵杆操纵BP1~RP4即可调节相应脉冲间隔,从而送出比例指令信号,VT1产生的本振信号经编码调制后由VT2二倍频、VT3缓冲、VT4功放后通过天线向空中发射。
4.2.2接收部分接收机的原理
图14接收机电路原理图
如图所示,IC1是调频接收专用集成电路MC3361。
由天线接收到的信号经由VT1放大并与VT2产生的本振信号在IC1内部进行混频、中放、鉴频后,从9脚得到还原的编码信号,再经VT3、VT4整形后送给IC2译码。
IC2是一片双四位移位寄存器CD4015,IC2的5、4、3、10脚分别是通过1~4的输出端。
本系统中有四个模拟输入信号CH1—CH4,分别用来控制坦克模型的行走速度/方向、炮塔转动、炮管上下调节(注:
CH1—CH4输出的比例信号虽然反映了控制指令的变化,但还不能直接用于执行电动机的控制,还需要通过伺服电路实现比例控制功能)。
这些控制量都要求把机械角度转换成比例的编码信号(解码时再转换成对应的角度或电机的相应转速)。
这4路信号的转换方法是一样的。
先通过电位器RP1--RP5将机械角度转换成电位信号,再将电位信号通过AD转换器转换成对应的数字信号。
然后再将各路数字信号按编码要求转换成编码信号送到发射电路调制输出。
除此系统还有一个开关信号H5用开控制发炮电机的转动。
接收机的核心器件是摩托罗拉的MC3361。
它配合很少量的外围元件完成了指令解码、电机转速控制、司服机控制信号输出、声音输出的全部功能。
下面具体介绍之。
单片窄带调频接收电路MC3361主要应用于语音通讯的无线接收机。
片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。
主要应用在二次变频的通讯接收设备。
其主要特性如下:
低功耗(在Vcc=4.0V,耗电典型值仅为3.9mA)
极限灵敏度:
2.6uV(-3bB)(典型值)少量的外接元件
工作电压:
2.0—8.0V DIP16和SO-16两种封装形式工作频率:
60MHz(max)
表1MC3361的极限参数
名称
引脚位置
标识符
极限值
单位
电源电压
4
Vcc(max)
10
V(DC)
工作电压范围
4
Vcc
4—8
V(DC)
检波输入电压
8
-
1.0
Vp-p
输入电压
16
V16
1.0
VRMS
静噪功能
14
V14
-0.5—5.0
Vpk
焊接温度
-
Tj
150
℃
工作周围温度范围
-
TA
-30—+70
℃
储藏温度
-
Tstg
-65—+150
℃
4.3无线影音传输系统
超小型无线声音图像传输系统使竞技坦克增加了一双明亮的“电
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