Разработка методик и средств контроля параметров дробового оружия с использованием телекамеры

Марков, Евгений Михайлович

автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методик и средств контроля параметров дробового оружия с использованием телекамеры

кандидата технических наук: Марков, Евгений Михайлович
город: Ижевск
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.11.13
цена: 450 рублей

Диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам на тему «Разработка методик и средств контроля параметров дробового оружия с использованием телекамеры»

Автореферат диссертации по теме "Разработка методик и средств контроля параметров дробового оружия с использованием телекамеры"

На правах рукописи

........

005002070

Марков Евгений Михайлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И СРЕДСТВ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДРОБОВОГО ОРУЖИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕЛЕКАМЕРЫ

Специальность: 05.11.13 Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

2 4 КОЯ 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск-2011

005002070

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (ИжГТУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Казаков Виктор Степанович

Официальныеоппоненты: доктор технических наук, профессор

Ларкин Евгений Васильевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Милич Владимир Николаевич

Ведущая организация: ОАО «Центральный научно-исследовательский институт «Буревестник»

Защита состоится 16 декабря 2011 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной механики УрО РАН.

Автореферат разослан «» ^ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совет! доктор технических наук, профессор

Тарасов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гладкоствольное оружие нашло широкое распространение в охоте, как в спортивной, так и промысловой. Другое массовое применение гладкоствольного оружия - это спорт, а именно, стендовая стрельба. Необходимо отдельно отметить боевое применение гладкоствольного оружия.

Обязательным этапом технологического процесса производства является контроль параметров оружия, в первую очередь, контроль точности, кучности и равномерности боя. Массовое производство дробового оружия требует разработки систем и методов измерений, обеспечивающих малую погрешность измерений, высокую производительность и низкую стоимость испытаний.

Параметры дробового оружия в ходе его эксплуатации изменяются. Время от времени необходимо проводить контроль текущих параметров оружия и выстрела из этого оружия. В этих испытаниях важно обеспечить необходимые и безопасные условия испытаний, гарантирующие необходимое качество проверки оружия, при минимуме затрат на испытания.

В области исследования дробового выстрела известные работы A.A. Зернова, Б.А. Крейцера, И.П. Степанова, С.А. Батулина, А.П. Ивашенцова, H.A. Изметинско-го, Л.Е. Михайлова, М. Журнэ, Э.В. Штейнгольда, И.А. Арбузова. В области автоматизации измерений параметров стрелкового оружия можно отметить работы: Ю.В. Веркиенко, B.C. Казакова и других. Существующие автоматизированные системы измерений параметров дробового выстрела в большинстве случаев дают лишь качественную оценку параметров дробового выстрела и требуют большого времени для проведения испытаний.

Измерение параметров дробового выстрела имеет свою специфику. Эта специфика не может быть учтена без создания математической модели дробового выстрела и требует разработки методик и средств контроля параметров дробовой осыпи, получаемой в результате выстрела из дробового оружия, и параметров оружия, из которого был проведен этот выстрел.

Задачи построения математической модели дробовой осыпи; методик оценки параметров измерительной системы; формирования, разработки и создания измерительной системы, обеспечивающей повышения качества, снижения времени и стоимости испытаний дробового оружия, как в условиях промышленных испытаний, так и в условиях индивидуальной проверки дробового оружия являются актуальными.

Объект исследования. Методы и средства контроля параметров дробового оружия.

Предметом исследования являются: методики математического описания дробовой осыпи в плоскости мишени, учитывающие дальность стрельбы, номер дроби и тип оружия; методики оценки параметров дробового выстрела в условиях ограничений на размер мишени, методики контроля параметров дробового выстрела с ис- " пользованием автоматизированных измерительных систем на основе цифровой телекамеры.

Цель работы состоит в разработке научно-технических решений, направленных на создание автоматизированных методик испытаний и средств контроля параметров дробового оружия, позволяющих повысить точность оценки параметров дробового оружия, снизить стоимость и время проведения испытаний, повысить их безопасность.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать математическую модель дробовой осыпи, учитывающую дистанцию стрельбы, номер дроби, тип оружия;

- определить требования к измерительной системе, обеспечивающей качественный контроль параметров дробового оружия, с учетом количества дробин в снаряде и величины их потерь;

- разработать методы и алгоритмы обработки цифрового телевизионного изображения мишени с дробовыми отметками, работающие в реальном масштабе времени; определить требования к телекамере;

- разработать методы компенсации проекционных и оптических искажений, определяемых телевизионной измерительной системой, методы снижения погрешностей оценок, обусловленные конструктивными особенностями мишени;

- экспериментально оценить эффективность разработанных математических моделей и алгоритмов по обеспечению контроля параметров дробового оружия;

- разработать программное обеспечение измерительной системы для проведения автоматизированных испытаний, оценки и документирования результатов испытаний.

Методы исследования. При разработке математических моделей применялась теория вероятностей и математической статистики, теория внешней баллистики. При разработке измерительной системы на основе телевизионной мишени - теория вычислительной математики, теория погрешностей, теория распознавания образов, теория цифровой обработки изображений, теория геометрической оптики, теория телевизионных измерительных систем, теория программирования и алгоритмов.

В экспериментальных исследованиях использовались методы моделирования статистических зависимостей и методы натурных испытаний на действующих образцах дробового оружия.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением вычислительного эксперимента, компьютерного моделирования и натурных испытаний.

Теоретические положения и математические модели, полученные в работе, обосновываются последовательным и корректным применением математического аппарата при выборе аналитических выражений, сопоставлением полученных теоретических результатов с известными экспериментальными данными и эмпирическими соотношениями.

Достоверность экспериментальных исследований обеспечивается большим объемом экспериментального материала, полученного, как путем компьютерного моделирования, так и натурных испытаний; выбором надежных критериев при оценке работы алгоритмов обработки информации и при оценке погрешностей измерения параметров дробового выстрела; наглядностью интерпретации практических результатов.

Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученная лично автором, заключается в следующем:

- предложена, обоснована и исследована математическая модель дробового выстрела, основанная на статистических закономерностях дробовой осыпи на плоскости мишени, учитывающая дистанцию стрельбы, номер дроби и тип оружия;

- созданы и исследованы методики оценки параметров дробовой осыпи; найдены статистические зависимости между погрешностями измерений средней точки попадания и среднеквадратичного отклонения, и числом дробин, участвовавших в эксперименте;

- разработаны методики учета влияния формы и размеров мишени на результаты измерений;

- созданы работающие в реальном масштабе времени алгоритмы подавления влияния фона и фильтрации шумов телевизионного изображения мишени, алгоритмы описания, распознавания и классификации дробовых отметок, включая сдвоенные отметки;

- исследованы и разработаны методики снижения погрешностей оценок координат дробовых отметок, обусловленных проекционными и оптическими искажениями.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- сформулированы рекомендации, позволяющие проектировать измерительные системы с учетом условий испытаний дробового оружия; разработаны аналитические и графические методики расчета размеров мишеней, учитывающие потери части дробин;

- показано, что при контроле параметров выстрела в качестве базового параметра расчета предпочтительнее использовать среднее значение выборочной дисперсии;

- при создании автоматизированной измерительной системы, предназначенной для контроля параметров дробового выстрела, использованы предложенные методики и алгоритмы, определены требования к телекамере и конструкции;

- создан комплекс программ для проведения испытаний на автоматизированной измерительной системе «АИС-Д» по контролю параметров изделия.

Разработанная система «АИС-Д» обеспечивает:

- бесконтактное определение параметров дробовой осыпи диаметром от 1,5 мм и темпом стрельбы до двух выстрелов в минуту на дистанциях стрельбы 10..,50 м;

- оценку положения средней точки попадания дробовой осыпи с погрешностью не превышающей 1 мм, оценку значения среднеквадратичного отклонения с,, погрешностью не превышающей 1 мм, причем погрешность определения координат не более 2 мм, доля потерянных дробин в круг диаметром 750 мм не превышает 0,2%.

Реализация и использование результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке автоматизи-., рованной измерительной системы, допущенной к опытно-промышленной эксплуатации в ОАО «Концерн «Ижмаш». Разработанные в диссертации методики измерений, алгоритмы фильтрации и обработки изображений применяются в учебном про-

цессе в ИжГТУ, результаты работы используются при выполнении дипломных проектов и магистерских диссертаций.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях (НТК) "Информационные системы в промышленности и образовании" в 2007-2010 годах (ИжГТУ, г. Ижевск), на НТК "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства" (ИжГТУ, г. Ижевск) в 2006-2009 годах, на научной конференции-семинаре "Теория управления й математическое моделирование" в 2008 году (ИжГТУ, г. Ижевск), на международной научно-практической конференции "Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте" (г. Одесса, июнь 2009 г.), на международной научно-практической конференции "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития" (г. Одесса, октябрь 2009 г.), на НТК "Информационные технологии в промышленности и образовании", посвященной 50-летию кафедры ВТ (ИжГТУ, г. Ижевск 2009 г.), на I Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, посвященная 25-летию кафедры «приборы и методы контроля качества» «Измерение, контроль и диагностика - 2010» (ИжГТУ, г. Ижевск).

Личный вклад автора. Автором выполнена постановка задач для достижения поставленной цели, сформулированы и обоснованы вынесенные на защиту положения. Представленные в диссертации математические модели, алгоритмы и методики контроля дробового оружия, проведенные на их основе исследования, получены автором лично. Автоматизированная измерительная система «АИС-Д» разработана и испытана на кафедре «Вычислительная техника» под руководством доцента Казакова B.C. при непосредственном участии автора.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 16 работ (из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов, одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, указателя литературы из 103 наименований. Работа содержит 171 страниц машинописного текста, включая 70 иллюстраций, 29 таблиц и Приложения на 6 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность, сформулированы цель, задачи исследований и основные положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание работы, представлены основные научные и практические результаты.

В первой главе рассмотрены области применения гладкоствольного стрелкового оружия,"дано описание характеристик дробового оружия, подлежащих проверке в ходе испытаний. Отмечено, что основными параметрами, измеряемыми при проверке боя дробового оружия, являются меткость боя, кучность и равномерность боя. Сделан обзор методов измерения меткости, кучности и равномерности боя, включая автоматические методы измерений координат полета пули. Показано, что для автоматизации существующих методов процесса измерений параметров боя дробового оружия, для повышения точности и надежности этих испытаний предпочтительно использовать телевизионную измерительную систему с последующим считыванием и обработкой цифрового изображения на компьютере.

, 7

[ Большой размер мишени, большое количество дробовых отметок, малый диа-

метр этих пробоин, необходимость работы в реальном масштабе времени требуют высокой разрешающей способности цифровой телекамеры и высокой скорости считывания, передачи и обработки изображения. Выбор конструктивных параметров испытательного стенда, вопросы безопасности при испытаниях требуют предварительной оценки параметров дробового выстрела.

Во второй главе рассмотрены факторы, влияющие на точность оценки параметров дробового выстрела. Построена модель дробового выстрела. На основе раз-\ работанной модели получены выражения, связывающие размер регистрируемой об; ласти с точностью измерений. Рассмотрено влияние потери части дроби на оценку ' параметров дробового выстрела.

I Отклонение центра дробовой осыпи от точки прицеливания носит случайный характер и согласно экспериментальным данным A.A. Зернова, подчинено закону распределения Релея

F(r) = l-2"® , (1)

где F(r) - вероятность попадания центра дробовой осыпи в круг радиусом г, Е -срединная ошибка стрелка, под которой понимают ошибку прицеливания, когда отклонение центра дробовой осыпи от точки прицеливания в половине выстрелов меньше этой величины, в половине - больше. От центра дробовой осыпи рассчиты-! вают и другие параметры выстрела: процент попадания в круги различных радиусов, концентрацию дробовых пробоин относительно центра мишени, равномерность распределения осыпи по мишени.

Экспериментальные данные и эмпирические соотношения полученные A.A. Зерновым, Б.А. Крейцером, И.П. Степановым, Журне, Фор-Биге и рядом дру- I гих исследователей показывают, что всякая дробовая осыпь, полученная в результате выстрела из гладкоствольного ружья, подчиняется единому закону распределения дробин как функция радиуса окружности r = klЯ50, независимо от дистанции стрельбы, номера дроби и типа ствола. Здесь Ria - радиус круга в который попадает 50% дроби из снаряда. Полученное Б.А. Крейцером, И.П. Степановым из эмпирических данных функция распределения дробовой осыпи имеет вид: '

/> = (1-2~^ )-100% = jVp-j-100%. (2)

В главе предложена и построена следующая модель дробового выстрела: распределе- ' ния вдоль осей абсцисс X и ординат У ортогональны, следовательно, не коррелированны; эти распределения вдоль каждой из осей X и ; Y подчиняются нормальному закону с математическими ожиданиями fjx = 0,fjr =0 и дисперсиями с\ = Су == cr! = 1. Объем выборки N определяется количеством дроби в снаряде. Для краткости в последующем указанная модель обозначена как «S-модель». Пример результатов моделирования в среде MathCAD представлен на рисунке 1.

..................... Y

• 1 - * > •• 'А' -•'Г 4 X

• -VO —•я • • •' • * * * ь4г-««( ч

«•

Рисунок I - Результат моделирования при №=200, отмечена окружность с радиусом Ях

Из предположений о параметрах 5-модели следует, что радиус отклонения пробоин от математического ожидания , где х,у - координаты пробоины, а закон распределения дробовой осыпи, как функция радиуса г определяется по закону распределения Релея для произвольного радиуса:

Р-1- е'7"2. (3) Соотношение (3) позволяет определить значение произвольного радиуса разлета дроби г, выраженного через вероятность попадания (процент попадания) определенной части дробин в круг этого радиуса:_

г = о4-2Щ1-Р) (4)

или, зная значение радиуса круга, в который попал определенный процент дробин найти дисперсию этого распределения

(5)

,/-21»(1 - Р)

Формула (4) дает возможность найти значение радиуса Я50 и отношение к = г!Ят, которые входят в эмпирическую формулу (2):

Л«, =0^-2111(1-0,5) =1,1774о- (6)

(7)

■«50 <т,/-21п(1-0,5) ^ &2 Выражая из формулы (7) Р, получим формулу эквивалентную (2), что говорит о правомерности предположений о 5-модели. Была также проведена проверка значений отношений й^/Д*,, Д„/Я50 и Я,8/Ли, полученных исходя из формул (6), (7) и значений этих же отношений полученных Журне. Расхождение не превысило 0,11%.

Дисперсия средней точки попадания (СТП) дробового выстрела с ростом числа испытаний снижается как агст =сгг1И. С учетом этого соотношения значение критического радиуса Лстл при доверительной вероятности РСТП из формулы (4) определяется как

(8)

^СП

В частности, для доверительной вероятности Рстп= 0,95, о- = 1 мм, N = 100

=0,25 мм, а для Л'= 200 ^ =0,17 мм. Значение критического радиуса /гстл определяет допустимую погрешность оценки СТП, которая снижается пропорционально с ростом N. Указанные оценки Лсг„ обусловлены характеристиками распределения дробовой осыпи и являются оценками возможной погрешности. Они не учитывают влияние дистанции стрельбы, номера дроби, типа оружия, погрешностей измерительной аппаратуры, алгоритмов обработки изображения и ошибок вычислений.

Связь закона распределения дробовой осыпи с реальными параметрами испытаний дробового оружия может быть выражена через радиус ЯХЭКС и соответственно через отношение г = к/Яхж. Из формулы (б) имеем:

= в 0,849/?5(ШС, (9)

' V- 21п(1 - 0,5)

где о-, - дисперсия, определяемая в конкретном случае стрельбы, Якэкс - радиус найденный в ходе эксперимента.

Согласно эмпирическим соотношениям, приведенным И.А. Арбузовым, зависимость между Яу, и дистанцией стрельбы может быть записана как

^=«•£', (Ю)

где а, Ь - эмпирические коэффициенты, определяемые типом сверловки ствола, Ь • дистанция стрельбы в метрах. На рисунке 2 показаны зависимости (10) для различных сверловок ствола (чока), которые задают значения а, Ь.

В реальных испытаниях оружия по пробному выстрелу можно оценить значение радиуса Д50. Затем по известному значению Я50 и известной дальности на графиках (рисунок 3) найти соответствующую кривую, тем самым определить коэффициенты а и Ь.

Связь между радиусом и произвольным диаметром дроби с1, согласно Журне определяется приблизительным соотношением

= (И)

где С - константа для данного типа ружья. Для конкретного случая стрельбы можно записать

= (12) где Ихэкс - радиус И^, найденный в ходе эксперимента, т - поправочный коэффициент для данного типа ружья и патрона, имеющий размерность диаметра дроби. Подставляя в формулу (11) значение из формулы (10) и решая совместно соотношения (11) и (12), с учетом формулы (6) найдем, что

1

1 .У

1

■ ....................... .

) ем

Рисунок 2 - Зависимость К5о от расстояния стрельбы.

Сверху вниз: а - цилиндр, б - цилиндра с напором, в - 0,25 чока, г - 0,5 чока, д - 0,75 чока, и - полный чок

I Л50

Л К>оэке

•1,1774у

(13)

Ла-Ь6 ) V а-е Определив в ходе предварительного эксперимента значение коэффициентов а, бит, можно выразить Я5(ШС через

(14)

Тогда значение среднеквадратичного отклонения распределения, найденное с учетом дальности стрельбы, номера дроби и типа оружия, может быть представлено в виде

а-Ь6 [т

(15)

Из формулы (15) для отношения т/с! = 1, дальности стрельбы 35 м и дульного сужения цилиндра имеем аР « 404,04 мм»гт = 1. В частности, значение критического радиуса Дст„, вычисляемого по формуле (8), после замены а на о> для РСТП = 0,95, лг = 200 составит Яст =69,9 мм и требуется существенное увеличение количества дроби в снаряде для снижения этого значения.

Формулы (4), (15) позволяют найти оценку величины разлета определенного процента дробин с учетом реальных условий стрельбы_

Для уменьшения погрешности СТП желательно иметь мишень таких размеров, которая позволяет зафиксировать все пробоины выстрела или хотя бы минимально необходимое их количество. Размеры мишени можно оценить исходя из разлета дробовой осыпи с учетом реальных параметров выстрела. На рисунке 3 показаны графически зависимости диаметра разлета дроби, построенные по формуле (16) при Р = 0,98, mid = 1 для различных сверловок ствола (цилиндр, слабый чок, средний чок, сильный чок).

Из формулы (16), выразив вероятность попадания дроби Р в круглую мишень диаметром Du, при стрельбе по центру мишени имеем

WO,t)d( ои )'

U »-¿'J

Р-1-е " . (17) На практике часто стрельба идет по квадратным или прямоугольным листам, на которых нарисована круглая мишень, которая может быть нанесена и после выстрела. Если пробоины регистрировать по всей области квадрата или прямоугольника, то процент регистрируемых дробин увеличивается, что повышает точность оценки параметров выстрела.

На рисунке 4 показан результат расчета процента попадания дроби в круглую мишени диаметром £> по формуле (17) и процент попадания дроби в квадратную мишень со стороной £> и в прямоугольную мишень со сторонами £) и 4/31), найден-

« ¡0 25 Ю 35 40 45

Рисунок 3 - Диаметры дробовых осыпей, как функция от дистанции стрельбы и характера сверловки ствола а - цилиндр, б - сл. чок, в - сред, чок, г - сильный чок

ные путем моделирования выстрела.

Показано, что законы распределения вероятностей попадания дробин в квадратную или прямоугольную мишень могут быть выражены из закона распределения для круглой мишени с помощью аддитивных поправок:

(18)

Рп = Р+61,6

ffl-Л 1

о

2,078 \

(19)

2.4 2.1 1,2 1.« 4

Рисунок 4 - Процент попадания дробин в мишень в

зависимости от эквивалентного радиуса круга, сверху вниз при форме прямоугольник со сторонами О и 4/ЗД квадрат со стороной О, окружности диамеграО соответственно

-1 "И" ,

юоу V юо,/

где Р - процент попаданий в круг с радиусом г, вычисленный по формуле (17), Рк-процент попадания дробин в квадрат со стороной равной диаметру окружности Д Рп - процент попадания дробин в прямоугольник со сторонами О и 4/3£).

Оценено влияние случайных потерь дробин на СТП и СКО для одной из координат. Распределения по осям координат равнозначны, поэтому рассмотрены потери только для оси X, когда цх = 0,цу = 0, ах = о> = <г = 1 • Процент потерь обозначен В, тогда оставшееся число дробин имеет вид

Nt=^m-B)^N/Ж (20)

и значение среднеквадратичного отклонения ошибки а0 для СКО можно приближенно записать как

(21)

а

л/^7

Расчет по формуле (21) показывает, что для малых значений потерь В их влияние на изменение выборочного значения СКО незначительно. Так для # = 200 потеря В = 10% увеличит среднеквадратичное отклонение ошибки определения на 0,0027с. Используя формулы (8), (20) для погрешности оценки СТП(Лст;;) можно написать:

100

/(100-Я)

(22)

При малом количестве потерь они не вносят существенного вклада в погрешность ARCT„. Для снаряда с N = 200 потеря 5 = 10% для о> = 404,04 мм при доверительной вероятности Р^, = 0,99 ведет к увеличению критического значения радиуса оценки Re-,, на 4,7 мм относительно полной выборки.

Потери дроби, связанные с ограничением размера области регистрации, вносят более существенную ошибку в определение СТП и СКО по сравнению со случайными потерями (формулы (20), (21)). Урезание выборки может быть связано с формой мишени. Для квадратной или прямоугольной мишени урезание возможно как с одной стороны, так и со всех четырех сторон.

Результаты моделирования в среде MathCAD с помощью ¿'-модели показывают, что потери части дробин в случае урезания выборки ведут к существенным ошибкам определения СТП и СКО. Так потери с одной стороны 10 % дробин ведет к смещению значения СТП на 0,19а в противоположную от урезания сторону и к уменьшению оценки СКО на 0,15а по оси, совпадающей с направлением урезания. С другой стороны, в случае малой погрешности оценки СТП, переход к оценке СКО с использованием закона распределения Релея позволяет получить погрешность оценки СКО всего 0,08ег для 10 % потерь. С дальнейшим ростом потерь погрешность оценки СКО с использованием распределения Релея растет медленно и не превышает 0,14<х

при 80 % потерь урезания по оси X.

В случае урезания мишени с двух сторон погрешность оценки СТП может быть найдена по формуле, полученной путем моделирования распределений

-Дстя =0,026а(й°'875 -ВГ5), ' ' (23)

где дгт„ - смещение выборочного СТП от действительного значения СТП, BL - процент потерь слева, Я, - процент потерь справа. Найденное по формуле (23) значение смещения Дсга позволяет уточнить значение СТП выстрела, полученного по урезанной выборке, путем суммирования с этим значением поправки Дс;/,.

Выражение (23) имеет статистический характер и справедливо лишь при большом числе дробин в выстреле, кроме того, оно требует знания величин потерь справа Вц и слева В,, что обычно на практике неизвестно. С другой стороны, из формулы (23) следует, что для симметричного урезания мишени с обеих сторон, смещение дстл стремится к нулю.

Предложена и испытана следующая методика симметрирования распределений. Сторона большего урезания определялась по максимуму величины выборочной плотности вероятности на краях мишени отдельно для оси X и отдельно для оси У. Путем поэтапного отбрасывания отсчетов с противоположной от стороны максимального урезания, достигалась симметрия выборочного распределения. Симметрию получившегося распределения проверяют на каждом шаге с учетом смещения выборочного среднего. После восстановления симметрии выборочное среднее принимается за СТП.

Моделировалась урезанная с четырех сторон выборка для числа дробин N = 500 и # = 1000. Оцененное по урезанной выборке относительное смещение СТП составило в среднем 0,7 и 1,2 %, причем СКО оценки СТП было равно 14,3 и 11,2 % соответственно. После выполнения этапа симметрирования путем дополнительного урезания, относительная погрешность оценки СТП составила 1,5 и 0,0% причем СКО оценки СТП снизилось до 5,8 и 3,3 % для # = 500 и # = 1000 соответственно. Необходимо отметить, что методика оказалась чувствительной к объему выборки N.

В главе 3 рассмотрены вопросы, относящиеся к обработке изображения мишени с дробовыми отметками, получаемого с цифровой телекамеры. Изложены обоснования выбора цифровой телекамеры для считывания изображения мишени. Рассмотрены основные этапы обработки изображения, в которые входят: алгоритмы фильтрации помех, алгоритмы улучшения выделения дробовых отметок, алгоритмы описания изображения дробовых отметок, алгоритмы распознавания и классификации дробовых отметок на мишени.

Цифровое изображение с телекамеры рассматривается в виде растра - двумерного массива градаций серого /(/,./), где 0 < / < # -1 - номер строки; 0 < у < Л/ -1 -номер столбца; #хМ - размерность матрицы. В процессе преобразований градации /(/,У) соответствующие элементу (/,/') преобразуются оператором g{i,j) в новые уровни изображения. Оператор одинаков для всех а,]), может быть нелинейным и записывается как

вИ,Л = 8[Ги,Л}- (24)

Пример изображений дробовых отметок для различных режимов работы телекамеры и различных условий освещения показаны на рисунке 5.

I

I I

-----

....

Же.

а) б) в)

Рисунок 5 - Примеры изображений дробовых отметок при различных режимах работы камеры и при различных условиях освещения.

Эти изображения имеют следующие особенности:

- На изображение дробовых отметок наложены шумы, имеющиеся на исходном изображении мишени и шумы системы измерений.

- Яркость фона неравномерна по изображению мишени, относительно статична, имеет относительно низкий градиент изменения по площади мишени и большой диапазон изменения яркости по площади мишени.

- Возможно совмещение отметок нескольких дробин.

- Форма дробовой пробоины зависит от материала мишени. Вычисление центра дробовой отметки должно учитывать форму пробоин.

Для подавления аддитивных шумов использованы маски в виде окон просмотра размером 3 на 3 пикселя, поскольку дробовые отметки имеют малые размеры. Для максимального подавления аддитивных шумов выбрано сглаживающее окно:

(\ 1 Л

111, (25)

1 lj

позволившее сохранить резкость перепада по яркости на границах дробовой отметки и обеспечить сглаживание шумов на приграничном фоне отметки.

С целью улучшения восприятия и улучшения условий последующей обработки выполняли нормализацию диапазона изменений яркости (контрастирование) согласно следующего поэлементного преобразования

g = a/+b, (26)

где a = 255/(/mK-/nJ, 6 = -255/mm/(/„„-/„„„) при квантовании яркости на 8 разрядов (Утах' frm - максимальное и минимальное значение яркости соответственно).

Качество изображения после предварительной обработки оценивали по следующим критериям: среднее значение яркости; диапазон изменения яркости; положение среднего значения яркости относительно минимального и максимального значения яркости как функции количества пробоин; количественное изменение яркости по сравнению с ранее полученным изображением.

Последний критерий требует для своего вычисления как минимум два кадра с целью получения поэлементной разности яркостей каждого пикселя из двух последовательных изображений мишени. В результате вычитания получается разностное изображение, которое позволяет существенно снизить неравномерность фона, обрабатывать несколько выстрелов в одну мишень, компенсировать стационарные шумовые составляющие. Однако, разностное изображение чувствительно к смещению кадров относительно друг друга. Кроме того, нельзя получить качественное разностное изображение при нестационарном освещении, например, во время испытаний оружия на открытой местности.

Примеры разностных изображений, полученные для выстрелов, показанных на рисунке 5, представлены на рисунке 6. На рисунке 66, 6в можно увидеть отметки с уменьшенной яркостью, расположенные парами. Некоторые из них отмечены стрелками. Результаты появления подобных отметок объясняется неполным подавлением отметок предыдущего кадра при вычислении разностного изображения.

'„X

i && * v < «■ "

.v- «u ' - . -.V • V.M '(V/. ii ' /.!. 4 v <■ •

irfrtiAp^a vT Kr¿'л '■f'-iW'",! • » i

*

« • | «И»

> * #

» *

* *

- ь •

a)

6)

Рисунок 6 - Инвертированные разностные изображения дробовых отметок после линейного контрастирования.

На этапе бинаризации выполнили переход от полутонового изображения к бинарному, позволяющий сократить информационную избыточность, сохранить дробовые отметки и исключить фон. Бинаризацию выполняли при помощи преобразования:

Ли)>Р = (27)

Ди)йР g(iJ) = /mm,

где Р - пороговое значение яркости. В случае разностного изображения для разделения дробовых отметок и фона можно использовать фиксированное значение порога Р, выбранное таки образом, чтобы минимизировать число ошибок, вызванных появлением ложных отметок. Пример бинаризованного изображения с различным уровнем фиксированного порога представлены на рисунке 7.

а) б) в)

Рисунок 7 - Инвертированные бинарные изображения дробовых отметок с порогами а) 50, б) 100, в) 150.

С начало )

В ходе исследований было найдено следующее выражение, позволяющее найти значение фиксированного порога для разностного изображения в автоматическом режиме:

Р = /„ +

/ - f

j шах j qv'

Pl

(28)

где /„„.,. - среднее значение яркости, /т„ максимальное значение яркости (уровень белого) изображения, pL -коэффициент зависящий от условий эксперимента.

В случае бинаризации исходного неразностного изображения необходимо использовать адаптивный порог принятия решения. Исходное изображение, представленное в виде массива f(i, j) в памяти хранится как одномерный массив строк. Удовлетворительные результаты были получены при использовании алгоритма вычисления адаптивного порога (рисунок 8), в котором порог определялся с соответствии с выражением:

Р = Aver, +B = (\-a)-Aver,_l+a-/(/) + ß, (29)

Рисунок 8 - Алгоритм быстрой адаптивной бинаризации

где Aver, - среднее значение яркости, вычисленное на ¡'-м шаге алгоритма; В - фиксированное значение яркости, выбираемое экспериментально в зависимости от контраста дробовых отметок, а = 0... 1 - весовой коэффициент.

Результат применения алгоритма бинаризации с адаптивным порогом (рисунок 8), вычисляемым по формуле (29) показан на рисунке 9.

Рисунок 10 - Примеры дробовых отметок после бинаризации, правые две для случая близко расположенных пробоин

а) ~б) в) г)

Рисунок 9 - Контрастированное изображение после быстрой адаптивной бинаризации «=0,25 а) исходное изображение, б) Я=30, в) й- 40, г) В=50

При значительных перепадах яркости изображения и малом значении порога В встречались ложные объекты вытянутой формы (рисунок 96), которые отсеиваются на последующих этапах обработки. Примеры форм дробовых отметок после бинаризации представлены на рисунке 10.

Из рисунка 10 видно, что форма пробоин может значительно отличаться от круглой. Причинами этого могут быть дискретность изображения, смещение границы перехода при бинаризации, анизотропные свойства материала, отличная от круглой форма дробин, построчный метод обработки изображений, совмещение двух и более дробин.

В случае построчной обработки изображений дробовых отметок наиболее подходящим примитивом являются горизонтальные штрихи. Дробовые отметки занимают не более 1 % площади изображения мишени. Для хранения информации о штрихах предпочтительно использовать динамически выделяемую память. Для описания изображения дробовой отметки предложен алгоритм объединения штрихов, расположенных друг под другом по вертикали в один объект.

После формирования описаний объектов необходимо провести их классификацию и распознавание с целью отсеивания ложных объектов и установления, какие из объектов относятся к отметкам сдвоенных или строенных попаданий дробин. Для отметок попадания дробин необходимо определить координаты центров попаданий с точностью, достаточной для достоверной оценки параметров дробового выстрела.

Для удовлетворения указанных требований предлагается использовать следующие характеристики объектов: размеры минимального прямоугольника охватывающего объект; значение площади, занимаемой объектом, координаты центра выделяемого объекта.

Изображения ложных объектов исключали по следующим правилам.

1. Отбрасываются, малые и большие по площади объекты, а также вытянутые объекты по соотношению сторон охватывающего прямоугольника.

2. Дробовая отметка от одиночной пробоины имеет форму близкую к круглой или овальной. Такая отметка имеет отношение площади минимального охватывающего прямоугольника к площади изображения отметки близкую к = 1,27. Для

изображений, имеющих коэффициент заполнения меньший KF = 1,25, объект отсеивается.

Для определения координат центра дробовой отметки использовали два метода, позволяющие снизить влияние формы отметки на точность оценки координат.

1. Для достаточно больших по площади отметок координаты центра находились как координаты центра тяжести отдельно по оси X и отдельно по оси Y :

xc=(£xt)/n, ус=(£у,)/п, (30)

где Xh У/ - координаты i-той точки объекта; п - количество точек объекта.

2. Для отметок малой площади дополнительно учитывали яркость изображения каждого пикселя, т.е. определяли центр тяжести светового изображения объекта:

N U N U

££[/('•,/м IIf/0'JM

у - M_ у _ l'i J-I__пп

ЛС ~ N к! > 'С ~ N M ' yJL'

ÎÏt/(M)l II ШШ

/=1 /.| ¿=1

Отфильтрованные по размеру и площади объекты дополнительно проверяли на наличие близко расположенных дробовых отметок с тем, чтобы исключить потери этих отметок. Сдвоенные дробовые отметки встречаются тем чаще, чем больше номер дроби. В ходе испытаний доля сдвоенных отметок не превышала 2 % от общего количества отметок. Строенные, счетверенные отметки еще более редки (не более десятых долей процента) и ими можно пренебречь либо отнести к сдвоенным.

С целью распознавания близко расположенных и частично перекрывающихся дробовых отметок были отобраны следующие параметры изображений дробовых отметок: площадь объекта, размер и расположение крайних штрихов объекта. Превышение площади дробовой отметки порогового значения:

S„=k,-S, (32)

где S - среднее значение площади дробовых отметок, к, =1,5. ..2,5 - эмпирический коэффициент. Положение крайних штрихов относительно углов охватывающей прямоугольной области дает возможность установить примерное положение центров. Зная, в каких противоположных углах прямоугольной области находятся отметки и зная значение S можно установить примерное положение центров дробовых отметок в сдвоенной отметке. Пример работы алгоритма обнаружения сдвоен-

Рисунок 11 - Примеры инвертированных разностных изображений а - до и б - после работы алгоритма обнаружения сдвоенных дробовых отметок (изображение контрастирование для наглядности)

Глава 4 посвящена рассмотрению следующих тем: снижение влияния погрешностей вносимых конструкцией мишени; компенсация оптических и проекционных искажений, обусловленных конструктивным исполнением измерительной системы; проверка соответствия расчетов параметров дробового выстрела по 5-модели и ре-

зультатов экспериментов с дробовым оружием; оценка точности работы измерительной системы на основе выбранной цифровой телекамеры путем сравнения с результатами измерения вручную.

Искажения, вносимые собственно мишенью, могут быть скомпенсированы соответствующим конструктивным исполнением мишени. В частности, уменьшить влияние анизотропных свойств материала мишени можно путем выбора качественного материала мишени и его натяжением. Одновременно с ростом натяжения выравнивается рельеф мишени.

Для получения качественного отображения дробовых пробоин на изображение необходимо обеспечить равномерное бестеневое освещение мишени, что исключает тени и устраняет информацию о рельефе материала мишени. Для этой цели применяют освещение мишени несколькими (минимум двумя) прожекторами. Частично уменьшить влияние оптических искажений в стационарной измерительной систем.; можно путем выбора объектива с фиксированным фокусным расстоянием.

Для минимизации проекционных искажений оптимальным является установка телекамеры на высоте центра мишени и несколько сбоку (обычно на стене тира) от зоны стрельбы. При этом минимизируются искажения по вертикали и уменьшаются искажения по горизонтали. Дополнительные искажения тем меньше, чем меньше угол наклона телекамеры по отношению к директрисе стрельбы. Схема расположения камеры относительно плоскости мишени показана на рисунке 12.

Величина расстояния телекамеры от плоскости мишени £ зависит от возможностей объектива и размеров регистрируемой области. Для объектива с фиксированным фокусным расстоянием 50 мм и размером мишени 1800 на 1350 мм угол между осью объектива и директрисой стрельбы составил примерно 9°. Компенсация проекционных и оптических искажений выполнена путем внесения поправок в найденные координаты дробовых отметок. При этом исключается дополнительный этап преобразования всего изображения, имеется возможность учесть проекционные и оптические искажения и одновременно получить метрические значения координат пробоин.

Соответствие между координатами дробовых отметок (х,у) на изображении мишени и преобразованными координатами (*',/), соответствующие метрическим координатам дробовых пробоин для аффинного преобразования записываются как

[х' = ах+Ьу+с ^

Директриса стрельбы Камера

Рисунок 12 - Схема размещение камеры относительно мишени

Рисунок 13 - Расположение опорных меток по площади листа

[у =с!х + еу+ /' а для проективного преобразования: 1их + 1[2у + 1„ 1цХ+1пу+133 1г1Х + 1пу + 1гз ' 131х+132у+133

где а, Ь, с, с1, е, / /,у (/,; = 1,2,3) - коэффициенты преобразования.

(34)

У

Значение коэффициентов преобразования определяли из эксперимента с опорными метками, расположенными равномерно на плоскости мишени (рисунок 13).

Отклонения значений измеренных координат отметок от измеренных вручную минимизировали по МНК путем подбора коэффициентов преобразования в среде МаЛСАБ. Результаты расчетов сведены в таблице 1. Шаг квантования при этом составил 1,36 пикселя на мм.

Таблица 1 - Ошибки преобразований

Ошибки Аффинное п реобразование Проективное преобразование

X, мм У, мм X, мм У, мм

СКО 4,77 5,01 1,34 1,05

Максимальная +7,45 +10,01 +1,99 +2,32

Минимальная -8,35 -12,50 -2,37 -2,27

Из таблицы 2 следует, что ошибки аффинного преобразования значительно превышают шаг квантования. Проективные преобразования дало значительно лучшие результаты с погрешностью оценки центров пробоин, не превышающей 2,5 мм.

Еще одним видом преобразований, которое может быть применено для коррекции значений координат пробоин, преобразование на основе полиномов второго

х' = а0 + ахх+а2у+а,ху+а, х2 + а5у2 ^^

У = 60 +Ь,х + Ь2у + Ьгху+Ь4хг + Ь5уг

и третьего порядка

|дг'=аа + агу+а^ху+а,х2 +а5у2 + абху2 + а-,х2у + авх' + а9у3 ^^ \у' = Ьа+Ьхх + Ьгу+Ь^ху + Ьлхг + Ь5у2 + Ь6ху2 + Ь7хгу+Ьйх3 +Ь,у3 где а„Ь, ¡ = оЗ и а„Ь, ¡ = 0$ - коэффициенты преобразования.

Значения коэффициентов а„Ь, найдены по методу МНК в среде МаШСАЭ на основе экспериментов с регистрируемой областью, показанной на рисунке 13. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Ошибки преобразований полиномами

Ошибки Полином второго порядка Полином третьего порядка

X, мм У, мм X, мм У, мм

СКО 1,30 0,97 0,92 0,60

Максимальная +1,83 + 1,88 +1,67 +1,27

Минимальная -2,26 -2,66 -2,11 -0,95

Из таблицы 3 следует, что преобразование полиномом второго порядка обеспечивает погрешность определения центра дробовой пробоины с той же точностью, что и проективное преобразование, а преобразование полиномом третьего порядка позволяет дополнительно снизить погрешность преобразования.

Погрешность растет при приближении отметок к краям мишени, С целью дополнительного снижения погрешностей оценки координат мишень была разделена на зоны так, как показано на рисунке 14. Разбиение на зоны позволило дополнительно снизить погрешность оценки центров координат пробоин при использовании полиномов второго порядка. Большинство ошибок было Рисунок ы-Расположение пяти зон меньше 1 мм, кроме нескольких точек, в которых была на регистрирующей области допущена ошибка при измерении вручную.

Для проверки работы всей измерительной системы в целом проведены испытания на базе КИС КОЦ ОАО «Концерн «Ижмаш». Испытания проводили в закрытом

1 2

3

5

Огневая позиция

Прожектор

\ Мишем*

Дирвктрлсларвльбы.............N

Рисунок 15 - Схематичное изображение системы освещения.

тире. В качестве мишени применяли деревянную раму, жестко закрепленную на полу. На раму с натяжением крепили лист белого ватмана шириной 1800 мм и высотой 1400 мм. Мишень установлена на дистанции 35 м. Для получения четкого изображения использована схема освещения, показанная на рисунке 15.

За мишенью находилось неосвещаемое пространство, что позволяет получить контрастное черное изображение дробовой отметки на белом фоне мишени. Использовался режим максимального разрешения пятимегапиксельной цифровой телекамеры 2560 на 1920 точек. Угол наклона Камеры к нормали

мишени равен 9°, телекамера находилась на дистанции L я 10 м от мишени.

Было произведено 12 выстрелов с рук без упора из ружья Сайга-12к с дульным сужением 0,1 мм (с напором) патроном «Техкрим» №5/76 (пыж-контейнер). Количество дробин в патроне около 245 штук. Для проверки на соответствие закону распределения Релея, постулируемого ¿'-моделью, был использован критерий Колмогорова-Смирнова, который для уровня значимости а = 0,05 равен 1,358, а для уровня значимости а = 0,01 - 1,628. Вычисленные значения критерия для экспериментальных данных не превышали 0,923, в среднем 0,713.

В ходе этих экспериментов оценивались параметры дробового выстрела: стх, оу, Ли, Rm, Rso/a, Рт (%). Результаты расчетов показали, что расчет характеристик выстрела без учета диаметра дроби ближе к результатам выстрела дробью №5, но не дробью №3. Последнее подтверждает необходимость учета диаметра дроби при оценке характеристик выстрела.

Учет влияния диаметра дроби с помощью формулы (13) через я!оэи? показал результаты даже более далекие по сравнению с данными, не учитывающими номер дроби. В качестве более репрезентативной характеристики, учитывающей координаты отдельных попаданий следует выбрать среднее значение выборочного СКО из серии выстрелов аэкс, и использовать формулу для определения эмпирического коэффициента т

|кс ' 1,1774 |

a-L" ) ' ......: К )

Результаты оценок параметров выстрела с применением формулы (37) показаны в таблице 3 (дистанция стрельбы 20 м). - ■

№ Выстрела (кол-во дроби) Характеристики выстрела

а,, мм (Ту, мм мм /?100 у ММ '

Дробь >63 среднее 189 196 245 559 1,273 87,1

Дробь №5 среднее - 204 • 205 251 60S 1,229 80,8 „

Расчетные данные по модели

без учета диаметра дроби 202 202 239 661 "1,177 ' 81,8

дробь №3, расчет т через Д503д.с 208 208 245 677 1,177 80,3

дробь №5, расчет т через Ищэкс 225 225 265 732 1,177 75,1

дробь №3, расчет т через <ТЭКС 189 189 222 615 1,177 86,1

дробь №5, расчет т через (Тэкс 204 204 240 664 1,177 81,5

Проверка указанной методики для стрельбы на различных дистанциях также показала их хорошее соответствие экспериментальным данным, расхождение результатов по кучности Р,50 не превысило 1 %.

В главе 5 дано описание разработанной с участием автора автоматизированной измерительной системы «Дробь» (АИС-Д), по оценке качества дробового оружия с использованием предложенных в настоящей работе теоретических положений и методик измерения параметров дробового выстрела. Данная система используется в технологическом процессе испытаний качества дробового оружия и обеспечивает определение координат пробоин, вычисление вторичных параметров дробового выстрела, вывод результатов измерений и вычислений на терминалы системы в развернутой графической форме, выдает распечатку протокола по запросу оператора, а также обеспечивает документирование результатов на жесткий диск.

Объектом испытаний АИС-Д является дробовое оружие с диаметром дробин от 1,5 мм и темпом стрельбы до двух выстрелов в минуту. Система устанавливается в закрытое помещение тира и обеспечивает проверку стрельбы на дистанции 35 м, также позволяет проводить проверку стрельбы из дробового оружия на дистанции от 10 до 50 м.

Для работы системы используется пятимегапиксельная цифровая телекамера с прогрессивной разверткой VEC-545-USB (VEI-535) имеющая интерфейс USB-2.0. Для получения качественного изображения выбран светосильный объектив HF50SA1, производства фирмы Fujinon, имеющий ручную фокусировку и фиксированное фокусное расстояние 50 мм.

Телекамера через интерфейс USB 2.0 соединяется с промышленным компьютером NISE-3100 и далее через сеть Ethernet - с персональным компьютером оператора. Структурная схема системы АИС-Д показана на рисунке 16.

¡Rv, Пост №3 прожесторых'Г \

Пост №1 I

ПК - промышленный компьютер

КК - кросс коробка

ИБП- источник бесперебойного питания

Рисунок 16 - Структурная схема АИС-Д

Программное обеспечение системы разбито на две части терминальную - для работы с оператором (клиентская часть) и часть, предназначенную для работы с телекамерой и обработкой изображений (серверная часть). Пример окна АИС-Д после расчета параметров представлен на рисунке 17.

Рисунок 17 - Пример основного окна АИС-Д после расчета параметров

По результатам работы формируется протокол испытаний, который документируется и может быть выведен на печать, после чего испытания могут быть продолжены.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана и исследована математическая модель дробового выстрела в виде нормального распределения дробовой осыпи по ортогональным осям на плоскости мишени и в виде распределения Релея как функции радиуса разлета дроби, с учетом дистанции стрельбы, номера дроби, типа оружия.

2. Разработаны методики расчета параметров дробового выстрела, в частности, методики расчета: радиуса разлета дробовой осыпи, средней точки попадания дробовой осыпи, среднеквадратичного отклонения дробовой осыпи, кучности и равномерности боя, учитывающие дальность стрельбы, номер дроби, тип оружия; найдены статистические зависимости между погрешностями измерений и числом дробин, участвовавших в эксперименте.

3. Созданы методики учета влияния формы и размеров мишени, на результаты измерений; методики оценки значений средней точки попадания и среднеквадратичного отклонения дробовой осыпи и методики коррекции влияния ошибок, вызываемых потерями части дробин при выстреле, в частности, потерями за счет урезания области регистрации дробовых отметок; разработаны аналитические и графические методы расчета размеров мишени.

4. Разработаны и исследованы алгоритмы и методики подавления влияния фона на телевизионном изображении мишени, алгоритмы фильтрации шумов; алгоритмы бинаризации с фиксированным и адаптивным порогом, обеспечивающие повышение надежности распознавания и классификации дробовых отметок. Разработаны

. . 22

алгоритмы построчного (растрового) последовательного описания дробовых отметок на цифровом изображении мишени, алгоритмы отсеивания отметок ложных пробоин, методики восстановления положения отдельных дробовых отметок из сдвоенных отметок. Алгоритмы позволяют выполнить обработку изображений мишени в реальном масштабе времени.

5. Созданы методы и алгоритмы снижения погрешностей оценки координат дробовых пробоин, определяемые проекционными и оптическими искажениями, вносимыми измерительной системой, а также методы снижения погрешностей оценок дробового выстрела, обусловленных конструктивными особенностями мишени.

6. Показано, что по результатам натурных испытаний при оценке параметров дробового выстрела в качестве базового параметра предпочтительнее использовать среднее значение выборочной дисперсии.

7. Экспериментальная проверка предложенных в работе методик и алгоритмов, выполненная путем моделирования в среде MathCAD и путем испытаний измерительной системы с реальным оружием показала, что положение средней точки попадания дробовой осыпи оценивается с погрешностью, не превышающей 1 мм, значения среднеквадратичного отклонения с погрешностью, не превышающей 1 мм, погрешность определения координат не превышает 2 мм, доля потерянных дробин в круг диаметром 750 мм не превышает 0,2 %, что обеспечивает проверку параметров дробового оружия на соответствие требованиям стандартов.

8. Разработана структура измерительной системы для определения параметров дробового выстрела; определены требования к конструкции системы; создано программное обеспечение, реализующее предложенные алгоритмы определения параметров дробового выстрела, сохранение результатов и проведение испытаний на автоматизированной измерительной системе «АИС-Д». Система «АИС-Д» допущена для опытно промышленной эксплуатации в ОАО «Концерн «Ижмаш». Отдельные алгоритмы, связанные со статистическими измерениями, с обработкой и распознаванием изображений используются в учебном процессе в ИжГТУ в соответствующих дисциплинах.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов:

1. Марков, Е.М. Исследование способов улучшения быстрой бинаризации растрового изображения для регистрации пробоин в информационно-измерительной системе на основе фотокамеры / Е.М. Марков Н Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2009. -№1.-С. 105-106.

2. Марков, Е.М. Моделирование и исследование характеристик дробового выстрела по мишени / Е.М. Марков // Интеллектуальные, системы в производстве. -2010.-№2.-С. 172-176.

3. Марков, Е.М. Анализ и описание объектов на изображения дробового выстрела на мишени / Е.М. Марков, С.В. Казаков // Интеллектуальные системы в производстве.-2010.-№2.-С. 176-179.

Другие публикации:

4. Казаков, B.C. Исследование световой мишени нового поколения / B.C. Казаков, В.В. Коробейников, А.С. Стром, А.Ю. Вдовин, Е.М. Марков // Приборострое-

ние в XXI веке: труды 3-й НТК (Ижевск, 14-15 апреля 2006г.). - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007. - С. 276-280.

5. Марков, Е.М. Исследование зависимости качества изображения выстрела от параметров видеосистемы 1 Е.М. Марков, И.Р. Аминов, А.Ю. Вдовин // Информационные системы в промышленности и образовании: сб. науч. тр./ отв. ред. Ю.В. Вер-киенко. - Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2007. - С. 70-74.

6. Марков, Е.М. Способ определения пробоин в тренажере стрелкового оружия с боевой стрельбой / Е.М. Марков, И.Р. Аминов, B.C. Казаков // Информационные системы в промышленности и образовании: сб. науч. тр./ отв. ред.Ю.В. Веркиенко. -Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2007. - С. 10-12.

7. Вдовин, А.Ю. Способы определения скорости и ускорения пули в измерительной системе / А.Ю. Вдовин, Е.М. Марков // Информационные системы в промышленности и образовании: сб. науч. тр./ отв. ред.Ю.В. Веркиенко. - Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2007. - С. 43-46.

8. Марков, Е.М. Исследование бинаризации растрового изображения в условиях неравномерного освещения для регистрации пробоин / Е.М. Марков, C.B. Казаков // Информационные системы в промышленности и образовании: сб. науч. трJ отв. ред.Ю.В. Веркиенко. - Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2008. - С. 106-108.

9. Марков, Е. М. Исследование и выбор параметров видеосистемы для получения изображения дробового выстрела / Е.М. Марков, А.Ю. Вдовин // Приборостроение в XXI веке: труды 4-й НТК (Ижевск, 17-19 мая 2007г.). - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2008.-С. 157-161.

10. Марков, Е.М. Исследование способов нахождения центров малых объектов в растровом изображении / Е.М. Марков, C.B. Казаков // Информационные технологии в промышленности и образовании: сб. науч. тр./ науч. ред. Ю.В. Веркиенко. -Ижевск: ИжГТУ, 2009. - С. 231-234.

11. Афанасьев, В.А.Оптимизация положения световых экранов при определении внешнебаллистических параметров / В.А. Афанасьев, А.Ю. Вдовин, Е.М. Марков // Сб. науч. тр. по материалам международной научно-практической конференции "Современные направления теоретических и прикладных исследований, 2009". Т.2. - Одесса: Черноморье, 2009. - С. 37-38.

12. Марков, Е.М. Разработка системы для испытания артиллерийского оружия / Е.М. Марков, М.В. Александров // Информационные технологии в промышленности и образовании: сб. науч. тр./ науч. ред. Ю.В. Веркиенко. - Ижевск: ИжГТУ, 2009. -С. 80-82.

13. Марков, Е.М. Методика оценки параметров изделий в технологическом процессе изготовления и контроля / Е.М. Марков // Сб. науч. тр. по материалам международной научно-практической конференции "Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте, 2009". Т.2. - Одесса: Черноморье, 2009. -С. 55-57.

14. Марков, Е.М. Исследование дробового снопа с помощью световых экранов / Е.М. Марков, А.Ю. Вдовин // Сб. науч. тр. по материалам международной научно-практической конференции "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития, 2009". Т.З. - Одесса: Черноморье, 2009. -С. 60-61.

15. Марков, Е.М. Методы борьбы с проекционными и оптическими искажениями / Е.М. Марков, A.B. Сосновских II Информационные технологии в промышленности и образовании: сб. тр. / науч. ред. В.А. Куликов. - Ижевск: ИжГТУ, 2010. - С. 42-46.

16. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2011613860 Российская федерация, Тариратор / Е.М. Марков; заявитель и правообладатель ГОУ ВПО ИжГТУ. - № 2011611842; заявл. 21.03.2011; опуб. 18.05.2011.

В авторской редакции

Подписано в печать 09. 11.11. Усл. печ. л. 1,4. Заказ №359. Тираж 100 экз. Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, Ижевск, Студенческая, 7

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Марков, Евгений Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПАРАМЕТРЫ КАЧЕСТВА ГЛАДКОСТВОЛЬНОГО ОРУЖИЯ И МЕТОДЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ.

1.1 Характеристики гладкоствольного оружия.

1.2 Способы измерения параметров дробового оружия.

1.3 Структура телевизионной измерительной системы для контроля параметров дробового оружия.

Введение 2011 год, диссертация по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, Марков, Евгений Михайлович

Актуальность темы.

Гладкоствольное оружие нашло широкое распространение в охоте, как в спортивной, так и промысловой. Другое массовое применение гладкоствольного оружия - это спорт, а именно, стендовая стрельба. Необходимо отдельно отметить боевое применение гладкоствольного оружия.

Обязательным этапом технологического процесса производства является контроль параметров оружия, в первую очередь, контроль точности, кучности и равномерности боя. Массовое производство дробового оружия требует разработки систем и методов измерений, обеспечивающих малую погрешность измерений, высокую производительность и низкую стоимость испытаний.

Параметры дробового оружия в ходе его эксплуатации изменяются. Время от времени необходимо проводить контроль текущих параметров оружия и выстрела из этого оружия. В этих испытаниях важно обеспечить необходимые и безопасные условия испытаний, гарантирующие необходимое качество проверки оружия, при минимуме затрат на испытания.

В области исследования дробового выстрела известные работы A.A. Зернова, Б.А. Крейцера, И.П. Степанова, С.А. Батулина, А.П. Ивашенцова, H.A. Изметинского, JI.E. Михайлова, М. Журнэ, Э.В. Штейнгольда, И.А. Арбузова. В области автоматизации измерений параметров стрелкового оружия можно отметить работы: Ю.В. Веркиенко, B.C. Казакова и других. Существующие автоматизированные системы измерений параметров дробового выстрела в большинстве случаев дают лишь качественную оценку параметров дробового выстрела и требуют большого времени для проведения испытаний.

Измерение параметров дробового выстрела имеет свою специфику. Эта специфика не может быть учтена без создания математической модели дробового выстрела и требует разработки методик и средств контроля параметров дробовой осыпи, получаемой в результате выстрела из дробового оружия, и параметров оружия, из которого был проведен этот выстрел.

Задачи построения математической модели дробовой осыпи; методик оценки параметров измерительной системы; формирования, разработки и создания измерительной системы, обеспечивающей повышения качества, снижения времени и стоимости испытаний дробового оружия, как в условиях промышленных испытаний, так и в условиях индивидуальной проверки дробового оружия являются актуальными.

Объект исследования.

Методы и средства контроля параметров дробового оружия.

Предметами исследования являются: методы математического описания дробовой осыпи в плоскости мишени, учитывающие дальность стрельбы, номер дроби и тип оружия; методы оценки параметров дробового выстрела в условиях ограничений на размер мишени, методики контроля параметров дробового выстрела с использованием автоматизированных измерительных систем на основе цифровой телекамеры.