автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Подсистема визуализации целей, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере

На правах рукописи

УДК 621.391:681.142

Корнилов Игорь Геннадьевич

ПОДСИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЦЕЛЕЙ, ИМИТАЦИИ ВЫСТРЕЛА И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЧКИ ПОПАДАНИЯ В СТРЕЛКОВОМ ТРЕНАЖЕРЕ

Специальности: 05.11. 16 - Информационно-измерительные и управляющие

системы (промышленность, научные исследования) 05.13. 18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степснп кандидата технических наук

Ижевск - 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет» (ИжГТУ)

Научные руководители:

Заслуженный деятель науки Российской Федерации

доктор технических наук, профессор Ю. В. Веркпенко (г. Ижевск)

Кандидат технических наук, доцент Н. Ю. Афанасьева (г. Ижевск)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Г. И. Закаменных (г. Нижний Новгород)

доктор технических наук, профессор В. А. Алексеев (г. Ижевск)

Ведущая организация:

Институт прикладной механики УрО РАН (г. Ижевск)

Защита диссертации состоится 29 декабря 2006 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.065.04 в ИжГТУ по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ. Автореферат разослан 28 ноября 2006 г.

Ученый секретарь совета

д.т.н., профессор •—Б. Я. Бендерский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аюуальность темы. Большой интерес к разработке стрелковых тренажеров объясняется тем обстоятельством, что при их использовании в учебном процессе резко возрастает эффективность обучения, сокращаются сроки обучения, может быть достигнута значительная экономия материальных и денежных ресурсов, обеспечивается безопасность в процессе обучения без пулевой стрельбы. Переход от пулевой стрельбы с выбросом химических продуктов сгорания пороха и загрязнением окружающей местности свинцом к ее имитации полностью снимает проблемы экологии и защиты окружающей среды.

В современных условиях в связи со сложившейся экономической ситуацией в России удешевление обучения приобрело еще большую актуальность. Кроме того, стала актуальной задача предотвращения хищения оружия и боеприпасов, которое абсолютно исключено при обучении и тренировках на тренажерах без применения боевого оружия.

Патентно-информационный анализ показывает, что в мире идет процесс совершенствования тренажеров, процесс появления тренажеров нового поколения с имитацией местности, местных предметов, подвижных и неподвижных целей, с имитацией отдачи и звуковых эффектов при "выстреле". С другой стороны, из-за сложившейся экономической ситуации в России в настоящее время тренажеры практически не изготавливаются. Тем не менее, ОАО "Ижмаш" и Вузовско-академический отдел методов испытаний тепловых машин (BAO МИТМ) при ИжГТУ выполнили тему "Ингибитор" по созданию оптико-электронного стрелкового тренажера, предназначенного для обучения и тренировки личного состава мотострелковых, разведывательных и пулеметных подразделений (отделений), подразделений родов войск и специальных войск действием при оружии в соответствии с Курсом стрельб. Тренажер выдержал государственные испытания и принят на вооружение армии РФ. В настоящее время ведется подготовка к выпуску промышленных образцов стрелкового тренажера и в диссертации приведены результаты исследований, благодаря которым, в том числе, создан тренажер и принято решение об его промышленном изготовлении.

Объектом исследования является подсистема визуализации цели, имитации выстрела и регистрации попадания (ПВИР) в стрелковых тренажерах нового поколения.

Предметом исследования являются аппаратные средства ПВИР, модели элементов ПВИР (проектора, экрана, оптико-электронного преобразователя координат — датчика координат и лазерного излучателя на имитаторе оружия), методы идентификации моделей и программное обеспечение ПВИР, интегрированное в оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя.

Цель работы - проведение комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических решений по созданию подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания (ПВИР) в стрелковом тренажере путем разработки аппаратных средств (проектора, экрана, оптико-электронного преобразователя координат - датчика координат и лазерного излучателя на имитаторе оружия) и оптимизации их параметров, разработки моделей и программного обеспечения, обеспечивающего идентификацию

моделей, обработку результатов измерений и реалистичность тренажера.

Для достижения поставленной цели решаются задачи:

- разработка элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и регистрации попадания, в том числе новых оптико-электронных преобразователей координат с оптимизацией их параметров;

- разработка, исследование и идентификация параметров математических моделей для элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и регистрации попадания, в том числе для оптико-электронных преобразователей координат, независимых от дальности "стрельбы" и расположения позиции;

- разработка способов идентификации подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и регистрации попадания;

- экспериментальная проверка разработанных оптико-электронных преобразователей и алгоритмов, определение точностных характеристик.

Методы исследования

В работе для теоретических исследований применялись методы теории информационно-измерительных систем, аналитической геометрии и погрешностей измерений. При разработке устройств ПВИР и алгоритмов использовались методы теории цифровых вычислительных систем, измерительной техники, схемотехники, теории цифровых автоматов, теории оптико-электронных приборов и программирования. Для проверки моделей и теоретических зависимостей использованы методы статистического моделирования и результаты натурных испытаний. Исследование моделей и их идентификация осуществлялись с помощью математических пакетов.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов обоснована корректным применением математических методов, сопоставительным анализом и совпадением результатов теоретических исследований и моделирования с результатами натурных испытаний.

Научная новизна п личный вклад автора состоят в следующем:

- разработаны элементы оптико-электронные преобразователи координат аналогового (с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками) и дискретного (с фото-линейками) типа;

- разработаны математические модели основных элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, в частности, модель лазерного излучателя на имитаторе оружия, модель оптико-электронного преобразователя аналогового типа с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками, модель дискретного оптико-электронного преобразователя с фото-линейками, модель проектора;

- найден способ уменьшения влияния спекл-эффекта на точность определения координат датчиками аналогового типа;

- обоснованы способы идентификации моделей (идентификация оптико-электронного преобразователя в автоматическом режиме, а также лазерного излучателя без непосредственного измерения координат лазерного пятна на экране тренажера);

Практическая ценность и результаты внедрения работы

1. Математические модели элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания.

2. Алгоритмы и программы идентификации и функционирования элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, интегрированные в оптико-электронный тренажер для коллективного боя.

3. Оптико-электронные преобразователи координат аналогового (с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками) и дискретного (с фото-линейками) типа и лазерный излучатель имитатора оружия.

4. Результаты испытаний и внедрения. Публикации, пакеты программ и патент.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке оптико-

электронных стрелковых тренажеров по теме "Ингибитор" с МО РФ (по теме "Разработка и исследование стрелкового тренажера" с ОАО "Ижмаш" (2000-2004 г.)), по Программе сотрудничества между Министерством образования РФ и Министерством обороны РФ (Раздел программы "Инновационное сотрудничество" (2003-2004 г.)), а также в НИР (Темплан № 3.01.01, 2001-2003 г.) и учебном процессе в ИжГТУ.

Апробация и публикации Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях "Ученые ИжГТУ - производству" в 2000-2006 годах; на семинарах научно-молодежной школы "Информационно-измерительные системы на базе наукоемких технологий" по Целевой Федеральной Программе "Интеграция" (проект № 864) в 2000 году (г. Ижевск); на Всероссийской НТК Приборостроение в XXI веке "Интеграция науки, образования и производства" в 2001 и 2006 годах; на международной НТК, посвященной 50-летию ИжГТУ в 2002 г.; на международном форуме "Высокие технологии - 2004" в 2004г. (г. Ижевск); Пятой Всероссийской НТК "Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии" (г.Тула, ТулГУ, 2006г.); Всероссийской НТК "АСУИТ-2006", (г. Пермь, ПГУ, 200бг).

Макет тренажера демонстрировался на совещании с представителями Росвооружения (г. Кубинка, 2004г.), представителям НАТО и КНР (г. Москва, лето 2006г.). Оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя (шифр "Ингибитор") прошел государственные испытания в 2004 г. Материалы работы обсуждались и использовались при выполнении НИР по программе "Конверсия" (проект № 01.9.70 006112, 2001 г.) и по Целевой Федеральной Программе "Интеграция" (проект № 864, 1997-2000 г.).

Основной материал диссертации отражен в 10-и печатных работах и 4-х отчетах НИР. Получен патент РФ "Оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя".

Структура диссертационной работы определяется общим замыслом и логикой проведения исследований.

Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы и приложение (Акты внедрения). Общий объем работы 129 с. машинописного текста, список литературы содержит 142 наименование. В работу включено 56 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе с целью постановки задачи исследований анализируются оптико-электронные стрелковые тренажеры и элементы подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, в частности, оптико-электронные преобразователи координат. Обсуждается проблема реалистичности подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания.

Современные стрелковые тренажеры нового поколения, в отличие от тренажеров первого и второго поколения, содержавших муляжи целей и мишени и регистрировавших, как правило, факт попадания или промаха, имеют в своем составе мощный компьютер и средства отображения местности и целей на экране, что позволяет в совокупности с программными средствами считать их информационно-измерительными системами (ИИС).

Согласно существовавшим еще в Советской Армии нормам для каждого вида стрелкового оружия должны были разрабатываться тренажеры. Несмотря на то, что их разработка осуществлялась, серийный выпуск ни одного из тренажеров в стране не был освоен и практически они не использовались, что можно объяснить их невысокими свойствами и низкой стоимостью тренировки с непосредственной стрельбой в то время.

Ведущими странами в разработке стрелковых тренажеров, по патентным источникам, являются США, Англия, Германия, Япония, Швейцария, Финляндия. Ведущими изготовителями тренажеров для армии являются фирмы "International Laser Systems" (США), "Centronic Optical System" и "Weston Simfire" (Англия); для стрелкового спорта - "Nortel KY" (Финляндия).

Работа посвящена созданию подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковых тренажерах путем разработки аппаратных средств (проектора, экрана, оптико-электронного преобразователя координат - датчика координат и лазерного излучателя на имитаторе оружия) и оптимизации их параметров, разработки моделей и программного обеспечения, обеспечивающего идентификацию моделей, обработку результатов измерений и реалистичность тренажера.

В первую очередь это относится к оптико-электронному преобразователю координат, для создания и применения которого в стрелковом тренажере необходимы:

1. Разработка и исследование моделей оптико-электронных преобразователей.

2. Разработка и исследование алгоритмов идентификации моделей.

3. Экспериментальные исследования оптико-электронных преобразователей, их идентификации и функционирования в рабочем режиме.

4. Организация работы датчиков в ИИС "Оптико-электронный стрелковый тренажер".

Из имитируемых в тренажере "Ингибитор" образцов вооружения наибольшей кучностью стрельбы обладает снайперская винтовка СВД. Для нее при стрельбе на 100 метров срединное отклонение по высоте (Вв) равно боковому срединному отклонению (В6) и составляет 1,8 сантиметра. Отсюда следует, что среднеквадратичное отклонение (с.к.о.) при определении координат точки наве-

дения при расстоянии до экрана 5 метров должно быть меньше, чем 1,33 миллиметра при нормальном законе распределения. Учитывая большой размер экрана можно сказать, что к точности подсистемы определения координат точки наведения предъявляются очень жесткие требования. Для обеспечения большого размера поля регистрации экран разбит на три части, регистрация координат в пределах каждой части производится отдельным датчиком.

Из известных способов и систем определения точек прицеливания (механические системы, со стрельбой боевыми патронами, акустические системы и оптические системы), по-видимому, только оптические системы представляют практический интерес в настоящее время.

В тренажере коллективного боя представляется единственно возможным вариант с лазерным излучателем на имитаторе оружия и оптико-электронным преобразователем, регистрирующим координаты лазерного пятна на экране тренажера.

В тренажере коллективного боя, помимо высокой точности определения координат, предъявляются повышенные требования к быстродействию, время регистрации не должно превышать б мс.

По быстродействию наиболее подходящим является оптико-электронный преобразователь на основе четырех-секционного интегрального фотоприемника (фотодиода) или нескольких интегральных фотоприемников. Оптико-электронный преобразователь на основе матричных фотоприемников (телекамер) не удовлетворяет по быстродействию. Удовлетворяют по быстродействию оптико-электронные преобразователи на основе фото- или ПЗС-линеек (приборов с зарядовой связью). В этом случае приходится использовать две взаимно перпендикулярные линейки (камеры) для определения двух координат на экране тренажера (вертикальной и боковой). В перспективе можно ожидать появления камер на матричных приемниках с требуемым быстродействием и разрешающей способностью, но стоимость системы на их основе будет существенно выше.

Таким образом, целесообразно провести исследования по разработке оптико-электронных преобразователей координат стрелкового тренажера на основе интегральных фотоприемников и ПЗС-линеек.

С точки зрения моделей ПВИР в неё входят: проектор для отображения местности и целей на экране тренажера, лазерный излучатель, устанавливаемый на имитаторе оружия (например, вместо дульного тормоза автомата Калашникова), и оптико-электронный преобразователь (датчик) для определения координат лазерного пятна на экране тренажера.

Вторая глава посвящена моделям элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания и подсистемы в целом. Здесь рассмотрены: модель проектора для визуализации целей; модель оптико-электронного преобразователя с фотоприемниками; модель оптико-электронного преобразователя с фото-линейками, модель имитатора оружия с лазерным излучателем и модель лазерного пятна.

Оптико-электронный преобразователь для измерения координат в составе подсистемы визуализации целей, имитации выстрела и регистрации попадания

представляет собой систему косвенных измерений, поэтому необходима модель. Возможно использование регрессионной модели.

Для обоснования (выбора) регрессионной модели желательно иметь математическую модель, основанную на зависимости регистрируемых величин от определяемых (выходных) величин (пространственную модель), позволяющую судить о степени нелинейности. Регрессионная модель может быть выбрана на основании физико-математической модели, например, путем её упрощения. Так как истинные значения параметров физико-математической модели неизвестны, и измерить их с требуемой точностью не представляется возможным, то приходится прибегать к идентификации.

При получении моделей в трехмерном пространстве удобно воспользоваться геометрическими преобразованиями, которые формализуются и сводятся к цепочке матричных преобразований, осуществляемых с помощью соответствующих матриц вращения

А/(*,«) =

О el

-si

\М{у,р) =

-s 2

г

; M(z,y)=

сЪ -53 О

s3 О сЗ О О 1

(с2 О О I О

Ks2 Q с2

где si, ci - направляющие синусы и косинусы углов вращения а,р,у относительно соответствующих осей: cl=cosa; c2=cosf3; c3=cosy, sl=sina; s2=sin/3; s3=siny.

В системе "проектор-экран" с проектором связана система координатX3Y3Z3, в которой ось Xз совпадает с оптической осью проектора и направлена в точку (у„.:„) экрана (рис.1).

Y', Y 1

Рис.1. Пространственная схема преобразования координат

Система координат проектора Х3У323 получена последовательными поворотами: I) на угол у/ относительно оси У'(система Х/У/!,);

2) на угол 3 относительно оси (система

3) на угол (р относительно оси Х2 (система Х3У323). Углы вращения определяются соотношениями

■

'н

Щ3 =

Ун -У,

р .

43 =

tgЗ

I

а направляющие косинусы оси проектора - соответственно соотношениями 1 tgЗ _ ^

I-

т '

п -

д/ГТс^+^з'

Полученная модель системы «проектор-экран» имеет вид:

(*Р\

-Хр

У-Ур 2 — 2

р

тр

где Л/(|//,«9*,(р)= М{у' -ц/)м(2х,-,9*)л/4(х2 ,-'р) = (Л/у), /,_/ = 1..3; МО,]) - матрицы вращения; р — параметр параметрического задания прямой ОТн (рис.1). Согласно модели имеем

у = ур + (М2\1 + М22т + М2Ъп)- р; г = гр + (Л/3]/ + М32т + Мззп)~ Р Л^)

где р =---; Л/, - элемент матрицы А/ .

Л/| [/ + Мпт + М1Ъп ' Также разработаны модели датчиков с четырех-секционным фотоприемником и тремя фотоприемниками.

Ограничимся описанием модели оптико-электронного преобразователя с тремя фотоприемниками. Один из них является опорным и служит для измерения освещенности, которая изменяется при изменении дальности до источника излучения (светового пятна на экране тренажера) и при изменении силы излучения лазера. Два других являются информационными. Перед одним из них устанавливается диафрагма с вертикальной кромкой и поэтому площадь засвеченной части фотоприемника пропорциональна горизонтальной координате лазерного пятна. Перед вторым информационным фотоприемником устанавливается диафрагма с горизонтальной кромкой и поэтому площадь засвеченной части фотоприемника пропорциональна вертикальной координате. Диафрагмы удалены от чувствительных площадок фотоприемников на одно и то же расстояние Ъ. Чувствительные площадки всех трех фотоприемников расположены в одной плоскости. Все три фотоприемника расположены как можно ближе друг к другу, насколько позволяет их конструкция.

С оптико-электронным преобразователем связана система координат Х3 У323, ось 23 которой совпадает с кромкой диафрагмы (полуплоскости) экранирующей точки У3 < 0, оси Х3, перпендикулярны кромке диафрагмы. При этом плоскость У3Х3 параллельна чувствительной площадке фотоприемника, которая удалена от нее на И. С плоскостью чувствительной площадки фотоприемника связана систе-

ма координат , которая получена из Л'зУз^з параллельным переносом в точку (-/¡,0,0).

После матричных преобразований структура модели представлена в виде

к = '([ Узэ{у>г)Л = ао+а1У + а2г

У 2\. хзэ(у.г)) 1-а3у + а4г '

Здесь Ф(у,г) - световой поток, воспринимаемый функциональным фотоприемником, а Фо(у,г) - световой поток, воспринимаемый опорным фотоприемником, у, 2 - координаты центра яркости лазерного пятна.

Согласно литературным источникам и проведенным исследованиям координаты центра яркости лазерного пятна отличаются от геометрического центра из-за спекл-эффекта. Это явление, вызывающее случайное распределение интенсивности когерентного излучения, отраженного шероховатой поверхностью или прошедшего через матовое стекло. Это случайное распределение приводит к случайному положению центра яркости излучения лазерного пятна, несмотря на постоянство плотности излучения лазера в пределах светового пятна.

Очевидно, что отклонение центра яркости не может быть больше размеров лазерного пятна. Экспериментально установленная погрешность датчика координат 6-7 мм соответствует этой нестабильности при диаметре пятна 50 мм. Теоретически уменьшить погрешность можно за счет уменьшения диаметра лазерного пятна. Однако практически это не удалось сделать, так как не удалось уменьшить диаметр световода и фокусное расстояние линзы (соответственно диаметр линзы) без существенных потерь излучаемой энергии.

Рассуждения о природе спекл-эффекта позволили представить лазерное пятно в виде совокупности излучающих площадок, примыкающих друг к другу (например, прямоугольных), со случайной яркостью и случайным положением центра излучения в пределах каждой излучающей площадки. То есть площадка пятна разбита на2я+1 вертикальных и 2л+1 горизонтальных полос. Количество элементарных площадок равно (2п+\)2. Положения геометрических центров яркости площадок приняты независимыми. Геометрический центр яркости элементарной площадки по оси А" обозначен через х¡¡. В случае постоянной яркости / элементарной площадки геометрический центр яркости по оси А" определяется выражением

х = ^^— = ——'-—где суммирование распространяется на все —я < /, ] < п.

Для математического ожидания и дисперсии геометрического центра яркости получим М [х] = 0;

<т; = м[——'--—]! =-— У Ум[х„ ]г = ,,

(2п + 1)2 (2п+ \ ) ' (2п + \)2

где а2-дисперсия геометрического центра элементарной площадки.

В силу симметричности пределов сумм центрированные центры яркости заменены на не центрированные, а в силу независимости дисперсия суммы взята равной сумме дисперсий. Следовательно, разброс положения геометрического центра яркости уменьшается с увеличением количества площадок, т.е. с увеличением размеров лазерного пятна.

Предложенный способ уменьшения спекл-эффекта был проверен экспериментально. Для этого лазерное пятно расфокусировалось и его диаметр изменялся от 50 мм до 500 мм. При диаметре пятна 400-500 мм погрешность снизилась с 6-7 мм до 1-1.5 мм, что обеспечило функционирование датчика аналогового типа на границе допустимой погрешности измерений. Однако, в условиях эксплуатации неизбежны дополнительные погрешности, например из-за фоновых засветок датчика. Фоновая засветка происходит из-за попадания на датчик отраженных излучений от различных предметов (в пределах угла поля зрения лазерного пятна на экране тренажера). Кроме того, в случае увеличения диаметра лазерного пятна необходимо увеличить размеры экрана и, соответственно, угол поля зрения.

В связи с этим разработан и исследован дискретный оптико-электронный преобразователь с фото-линейками. Оптическая схема оптико-электронного преобразователя с фото-линейкой для боковой координаты приведена на рис.2.

Для вертикальной координаты используется аналогичный преобразователь, повернутый на 90°. Следует отметить, что, несмотря на изменение положения центра яркости излучения в пределах площади светового пятна из-за спекл-эффекта, координаты границы полосы (и соответственно ее середины) остаются неизменными. Следовательно, спекл-эффект практически не влияет на результаты измерений и целесообразно иметь пятно лазера минимально допустимых размеров, чтобы крутизна фронтов была максимальной и, соответственно, границы полосы определялись с минимальной погрешностью. Более того, целесообразно сфокусировать лазер так, чтобы яркость на границе пятна была больше.

Для получения модели использованы матричные преобразования в соответствии с углами вращения, показанными на рис.3. На рис.3: Х',У',7/ - система координат, полученная параллельным переносом в точку (хр,ур,гр), в которой установлен ОЭП. Система координат ОЭП получается последовательными поворотами на угол р относительно оси У (система ), на угол у относи-

тельно оси 21 (система Х2, К2,22) и на угол «относительно оси Х2 (система ХЪ,)'Ъ,1Ъ).

и оптико-электронного преобразователя (система координат Л'З, К3,23)

ОЭП, например, для боковой координаты г содержит цилиндрическую линзу, образующие которой коллинеарны вертикальной оси )'3. В фокальной плоскости линзы параллельно оси 23 расположена фото-линейка (рис.2). Главная плоскость совпадает с плоскостью К323. Изображение точки (х3,у3,:3) в фокальной плоскости объектива растягивается в линию. Из-за неточного расположения линейки на ней образуется протяженный засвеченный участок ВС (рис.4). Алгоритм распознавания изображения на уровне заданного порога приписывает измеряемой координате середину интервала ВС. При этом середина засвеченного участка не совпадает с точкой О пересечения линейки с линией АО И.

Рис.4. Оптическая схема преобразователя с фото-линейкой

Для определения координаты середины участка СВ поступим следующим образом. Боковая координата 1А точки А (рис.4) связана с координатами точки

(х3,:3) уравнением центрального проектирования оптической системой

/' V

Уравнения прямых линий: линейки х3+а:}+г = 0, линии АВ' = г3-гд, ^ линш АС хъ-хс =£11г£11 где ^ = ^ = 0 =_А|

~~ гА ~ ХА ХС 2 Л -С "

гс;. - И, а - тангенс угла наклона линейки.

Из геометрических соотношений получено гср = + ^ + ' '' где

- ао +а\У + а22 ^ Подстановкой :л в г,.„ получена дробно-рациональная функ-1-а3у~а4г

ция, числитель и знаменатель которой являются полными квадратичными полиномами переменных^ и г, т.е.

_ А0 + А1у+ Л2г+ А3у: + А4у2 + Л5~2 СР 1-Аьу-А-,1-Аъу1-Ачу2-А^2

Вл + В,у+В1г+ В^у: + В.у2 + В<:2

Аналогично для у : у - —-!-*-^-^-¿-у-.

' 1 -В6у- В,2 - В%уг - В,у2 - /?,0--2

Модель дополнена проекционной системой (проектором), формирующей изображение на экране тренажера. Для этого осуществлен переход от координат проектора в собственной системе (хпр,_упр,гпр) к координатам в системе координат экрана (х.у.г) (рис. 3). В результате для координат проектора в системе ко-

Ь0 +Ь\Уп9 + Ь2=п9 +С|>'„р +с72»х, ординат экрана получено: г =---11 и у =---

1 - ьзУпР ~Ь4Упр 1 ~сзУ„Р ~сАу„р

Подстановкой у,г в уср, гср получена модель системы "проектор-экран-ОЭП",- представляющая собой дробно-рациональные функции с полиномами в числителе и знаменателе, содержащими слагаемые с переменными

2 2

^ / < , I ^ I

2_ ^¡¡Упр ^пр *{Унр ~ир V 'г ' / / = 0 2- г --■ у --(2)

Улр гпр ^ В у упр 2пр

1,)=0 (.>=0

В модели излучателя, установленного на оружии, учтены положение позиции (хр,ур,2р), точка наведения оружия ((?,у„,г„), смещение линии лазерного излучателя относительно линии наведения <7 и углы р и у, характеризующие не параллельность оси лазерного излучателя и линии наведения. Смещение и не параллельность приводят к несовпадению координат пятна с координатами точки наведения.

С использованием матриц вращения получена матичная модель ** = т\2У+ п,13:+ га14"> о = т22У++ т24> ® = т32У + ПЬз: + л,34 • гДе У- г~ к0"

ординаты центра лазерного пятна на экране, х" - расстояние от лазерного излучателя до пятна на экране, ти(1,]= 1..4) - элементы матриц вращения с учетом параллельного переноса.

Дополнительно была разработана математическая модель :

ЛУ_. ау[*НГП-УР?Н2п-2Р?) I (Уп-Гр)2 , ^2+(2п-2Р)2-(Уп-УР)2ау 1 1}+&п-гР)2' ^ а2\1}+{Уп-УР)г+(.2п-2Р)2] I (2П-2Р)7~ 2+(Уп-УР)2-(2п-2Р)2а, 1 ¿^п-Г,)2' где Ур, 2р - координаты позиции; Уц, 2ц - координаты точки наведения; Уп, 2П -координаты точки попадания; ду, дг - смещения лазера относительно линии наведения; 5, У- углы положения точки (Уп, '¿п) относительно позиции; у, р - углы не параллельности оси лазера и линии наведения; ау =Щу, = % р - тангенсы углов; I - расстояние между позицией и экраном по нормали (дальность).

В процессе идентификации поправки ДК,Д2 заменяются на разности между расчетными значениями координат точек наведения (задаваемыми от компьютера) и расчетными значениями координат точек попадания, определяемыми с помощью оптико-электронного преобразователя.

В случае переноса позиции необходимо изменить координаты УР, 2Р, а если не производить измерение положения позиции, то осуществить новую идентификацию для данной позиции.

Третья глава посвящена описанию подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, технической реализация двух вариантов датчиков координат и лазерного излучателя, установленного на имитаторе оружия.

Подсистема имитации выстрела и определения точки попадания состоит из следующих составных частей (рис. 5):

компьютер руководителя;

контроллер РОЭ (регистратор оптико-электронный);

ИО (имитаторы оружия) (7 шт.);

КИО (контроллер имитатора оружия) (7 шт.);

экраны ИМО (имитатора мишенной обстановки) (3 шт.);

видеопроекторы (3 шт.);

РОЭ (3 шт.);

После того, как была выбрана схема построения подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания, немалую сложность представляет задача о выборе схемы регистратора оптико-электронного (РОЭ). В этом аспекте рассмотрено два варианта реализации РОЭ - на основе фотодиодов или фото-линеек.

К достоинствам оптико-электронного преобразования на фотодиодах относятся простота практической реализации, раздельная регистрация по осям, что позволяет упростить процесс проектирования, производства и наладки, высокое быстродействие (время получения коэффициентов при использовании современной элементной базы измеряется величинами порядка двух сотен не), малая

стоимость. Именно поэтому изначально в подсистеме регистрации предполагалось использование такого типа оптико-электронных преобразователей.

Экран ИМ01

Управление Синхронизация РОЭ

Видеопроектор 1

Лазер 1

Экран ИМ02

Контроллер РОЭ

Видеопроектор 2

Экран ИМОЗ

----- РОЭЗ

управление (синхронизация засветки _позера}__

данные (информация о выстреле)

Кадр данных

ИО? управл КИ07

Лазер 7

выстр.

(информация о координатах)

Компьютер руководителя

РОЭ • регистратор оптико-

электронный

ИО • имитатор оружия

КИО - контроллер имитатора

оружия

ИМО - имитатор мишенной обстановки

Видеопроектор 3

Рис.5. Схема подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания

Однако, эксперименты с образцами преобразователей данного типа, показали, что, несмотря на перечисленные достоинства, данные преобразователи обеспечивают требуемую точность только при дефокусированном лазерном пятне. Как отмечено ранее, это связанно со спекл-эффектом. Кроме того, на точность сильно влияет изменение фоновых засветок (особенно отраженного излучения от движущихся объектов). Это еще раз свидетельствует о том, что такую характеристику регистрирующей системы, как точность оценить аналитически очень трудно, и трудно обеспечить на практике. В связи с этим была использована РОЭ на ПЗС линейках.

Схема реализации РОЭ на основе ПЗС линеек представлена на рис.6.

В левом нижнем углу рис.6 схематично изображен источник излучения, которым в разрабатываемой системе является лазерное пятно на экране ИМО. Лучи этого источника проходят через оптический фильтр (на рисунке опущен), который пропускает только поток лазерного пятна, и попадают в измерительную камеру, которая состоит из двух однолинзовых объективов из цилиндрических линз. Линзы расположены в одной плоскости перпендикулярно друг другу. Геометрией линз обеспечивается развертка (фокусирование) света источника в линию, перпендикулярную основанию цилиндра линзы. Так как оси симметрии линз взаимно перпендикулярны, изображение источника света в фокальной плоскости линз формируется в две взаимно перпендикулярные световые линии.

№

дальнейшую обработку

Обработка

АЦП

Обрабо тайная

оцифровка осциллограмм ы

Оцифровка осциллограммы кадровой развертки

Осциллограмма

кадровой развертки ПЗС

.1

Экран

Камер

Геометрическая модель размещения камеры относительно экрана. Вид сбоку.

Камера

Ос

Экран

Линза

Гэометрическая модель размещения камеры относительно экрана. Вид ПЗС -сверху

АЦП

-е-

Обработка

-е-

На

Дальнейшую обработку

Источник излучения

Осциллограмм Оцифровка Обработанная

а кадровой осциллограмм оцифровка развертки ПЗС ы кадровой осциллограмм линейки развертки ы

Рис.6. Схема реализации РОЭ на основе ПЗС линеек В фокальной плоскости перпендикулярно световым линиям располагаются фото-линейки. Таким образом, где бы ни находился источник света (в пределах рабочей зоны), он отобразится пропорционально своему положению на обе фотолинейки (по соответствующим осям). В качестве фото-линеек использованы ПЗС-линейки, которые при умеренной стоимости (порядка 500 руб.) обеспечивают необходимые значения точности, надежности и технологичности.

Справа на рисунке представлено расположение камеры с фото-линейками относительно экрана ИМО для равнинного варианта использования тренажера (в горном варианте по координате У камера располагается в более выгодном положении, чем в равнинном).

Теоретически проблема недостаточной точности измерений может возникнуть в областях экрана ИМО, максимально удаленных от выгодного расположения камеры - то есть по краям экрана. Чтобы заранее снизить влияние такого положения, линзы предлагается располагать так, чтобы максимальная фокусировка соблюдалась именно для точек с периферии. Это отражено на рисунке: лучи, преобразованные правой линзой, собираются в левом краю ПЗС-линейки и на осциллограмме видно, что ширина импульса достаточно малая, а амплитуда большая — налицо фокусировка. Через левую линзу лучи собираются в районе центра ПЗС-линейки. На осциллограмме виден гораздо более широкий сигнал с заметно меньшей амплитудой - фокусировка отсутствует. Сигнал с линейки необходимо

преобразовать в цифровую форму. Так как необходимо зафиксировать лишь наличие (или отсутствие) сигнала в требуемой зоне, аналого-цифровое преобразование предельно упрощается до компаратора напряжения (уровень настройки опорного напряжения компаратора показан на осциллограмме кадровой развертки ПЗС-линейки пунктиром). После оцифровки необходимо сделать обработку сигнала так, чтобы на оцифрованной осциллограмме остался один импульс (или ни одного, если камера ничего не приняла), начало которого в начале первого импульса оцифровки, а конец - в конце последнего. Это необходимо в основном для позиций в центре экрана ИМО, отраженные лучи с которых не фокусируются на ПЗС линейке и могут содержать многократное пересечение порогового напряжения. После обработки достаточно засечь положение начала и конца обработанного оцифрованного импульса в кадре данных линейки, определить его центр и выдать результат дальше. Как видно из рисунка, оба канала (обработка по оси Ъ и У) работают абсолютно одинаково и независимо. Это упрощает процесс проектирования, наладки, производства.

Четвертая глава посвящена результатам исследования моделей ПВИР в стрелковом тренажере. Эти результаты дополняют содержание главы 2 и послужили основой для выбора моделей и обоснования алгоритмов функционирования и идентификации, использованных при технической реализации стрелкового тренажера и его программного обеспечения.

Кроме того, в главе приведены результаты натурных испытаний, позволяющие, в частности, судить о достигнутой точности регистрации координат точки наведения (попадания) в стрелковом тренажере.

В процессе разработки и проверки правильности разработанных моделей, а также возможности их идентификации, предварительно осуществлялось моделирование на компьютере. С помощью моделей получались "экспериментальные" данные и осуществлялась идентификация. При этом оценивались время на вычисления в процессе идентификации, приемлемость алгоритма идентификации и точность.

Очевидно, что моделирование и идентификация моделей не являются самоцелью. Модели необходимы для предварительных исследований, определения структуры (вида) моделей, которые будут использоваться на практике в процессе идентификации по экспериментальным данным и использования идентифицированных моделей в рабочем режиме функционирования тренажера.

По формулам (1) определялись координаты высвечиваемых на экране точек в узлах сетки изображенной па рис.7. Координаты точек представлялись значениями^,/, 2ц матрицу, г , / = 1 ..5,у = 1..7, значения уц , вычислялись по расчетным значениям /,,, зада-

. ь ж, он..

500 250 0

-250-

Ъ, мм ->

-500

-600 -400 -200 0 200 400 600

Рис.7. Сетка для задания расчетных кооодинат

ваемым с шагом 250 мм по оси У и 200 мм по оси Ъ согласно рис.7.

На рис. 8 и 9 показаны отклонения координат высвечиваемых на экране точек от расчетных (в мм).

Графики на рис.8 и 9 приведены для случая Ур=гр=0, ун=г„=50 мм и угла поворота проектора а=0,002 рад.

Рис.8. Отклонения Рис.9. Отклонения

для координаты У для координаты Ъ

Из рис.8 и 9 видно, что отклонения координат имеют нелинейный характер с перегибами. На практике можно добиться значительно меньших отклонений проектора от идеального положения (у„, гн и а) с помощью регулировочных средств, по возможности точно укладывая растровую картинку изображения в габариты экрана.

Также была рассмотрена целесообразность компьютерного моделирования системы "проектор — экран — оптико-электронный преобразователь" стрелкового тренажера (2).

В реальной работе модель (2) необходима для последующего определения координат проектора по измеренным координатам фото-линеек. Для этого необходимо для модели (2) решать обратную задачу. Модель (2) нелинейная, решение возможно итерационными методами последовательных приближений и зависит от начального приближения. Время решения оказывается достаточно большим и неприемлемым для определения координат в режиме реального времени.

В> связи с этим сделана попытка создания обратной модели, позволяющей определять координаты (у, г) по измеренным координатам (уср,2ср). Как и в случае прямой модели, составление обратной модели основано на матричных преобразованиях.

В результате полученная модель соответствует по структуре уравнениям прямой модели (2), т.е.

1 . . . 1 . .

».р

X ауУсрг1р

__ 1.}=0_

2 , . . X ЬцУср^ср и=о

Уп

£ АуУср _ Ц=о

I ВуУ'с '.у=0

срх1ср

На основании анализа модели (3) сделаны следующие выводы:

1. Прямая и обратная модели совпадают по структуре. В каждом уравнении содержится 18 коэффициентов.

2. Прямую модель целесообразно применять при моделировании для определения координат на линейках, соответствующих расчетным значениям ущь :,ч> задаваемым проектором.

3. Обратную модель целесообразно использовать в режиме функционирования тренажера для определения координат уп/„ :п/, по измеренным на фотолинейках координатам уср, гс,>.

4. Умножение числителей и знаменателей дробей (3) на одно и то же число не изменяет тождеств (3) и поэтому при идентификации возникает неопределенность, для исключения которой необходимо числитель и знаменатель дроби разделить, например, на свободный член знаменателя, обратив его в единицу. При этом минимальное количество уравнений для идентификации параметров моделей сократится до 17, а для сглаживания погрешностей измерений, например, по методу наименьших квадратов необходимо иметь до 30-40 уравнений.

5. Для сокращения времени идентификации её целесообразно осуществлять в автоматическом режиме, высвечивая с помощью проектора последовательно точки на экране тренажера, задаваемые по программе компьютером, и измеряя координаты уч„ ~ч, на фото-линейках.

Далее рассмотрены результаты испытаний подсистемы и ее отдельных компонентов.

В связи с тем, что по результатам испытаний от дальнейшего использования датчика на основе фотодиодов решено было отказаться, результаты испытаний данного датчика приводятся в сокращенном виде

Результаты проверки точности датчика при сфокусированном и дефокуси-рованных лазерных пятнах представлены на рис.10,11.

Эти данные подтверждают приемлемость модели спекл-эффекта , согласно

„ а240 240 , „

которой —=-= 6, где <ук - с.к.о. в случае радиуса пятна к.

сг40 40

Согласно рис.10 и 11 отношение с.к.о. оценим как отношение размахов погрешностей, составляющее примерно такую же величину.

В результате испытаний датчика на основе фотолинеек подтвердилось, что получаемые с контроллера РОЭ значения, которые соответствуют положению засвеченной области ПЗС линейки, нельзя линейно связать с координатами цели. На рис.12 и 13 представлены графики отклонений приборных коэффициентов получаемых с контроллера РОЭ от линейной модели системы.

Нелинейность полученных результатов обуславливается нелинейностью системы.

На основе моделей были получены корректирующие формулы. Затем была проведена проверка точности с использованием этих формул, результаты представлена на рис. 14.

В заключении приводятся основные выводы по работе.

В приложении приводятся Акты внедрения.

Рис.10. Погрешность измерений для разных точек по оси Ъ в мм при лазерном

пятне 40 мм

Рис.11. Погрешность измерений для разных точек по оси Ъ в мм при лазерном

пятне 230 мм

Рис.12. Отклонения приборных коэффициентов от линейной модели для оси Ъ

Рис.13. Отклонения приборных коэффициентов от линейной модели для оси У

Камра!

Кш-во птчли №,% 50-

Кмзи2

КмераЗ

Рис.14. Результаты проверки точности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа стрелковых тренажеров и экспериментальных исследований определены параметры оптико-электронного стрелкового тренажера (и, в частности, ПВИР) по быстродействию, по точности регистрации координат точки наведения, по совместимости одновременной работы нескольких стрелков.

2. На основании анализа литературных источников и опыта разработки стрелкового тренажера в вузовско-академическом отделе «Методы испытаний тепловых машин» при ИжГТУ выбраны схемы перспективных датчиков координат (аналогового типа на фотодиодах и дискретного типа на фото-линейках), проведена их разработка и исследование. Для тренажера коллективного боя рекомендован дискретный датчик координат на ПЗС-линейках, имеющий более стабильные характеристики, меньшую зависимость от световых и других помех и необходимую точность.

3. Разработаны математические модели основных узлов ПВИР (проектора, оптико-электронных преобразователей координат, лазерного излучателя установленного на оружии). Это пространственные модели системы косвенных измерений, в большинстве случаев являющиеся дробно-рациональными нелинейными моделями.

4. Ввиду невозможности определения или задания параметров моделей с требуемой точностью принято решение об идентификации (тарировке) параметров моделей по экспериментальным данным. В качестве критерия определения параметров моделей выбран метод наименьших квадратов, обладающий высокой помехоустойчивостью и сглаживающий ошибки отдельных измерений за счет избыточного количества экспериментальных данных (числа степеней свободы) при идентификации моделей.

5. Для сокращения времени получения экспериментальных данных для идентификации и исключения при этом субъективных ошибок наведения стрелка предложен и реализован способ автоматической идентификации при котором световое пятно, необходимое для идентификации датчика координат, высвечивается на экране тренажера с помощью проектора по программе, заложенной в компьютер тренажера.

6. Для повышения точности определения координат предложена и реализована вторичная идентификация, т.е. идентификация модели лазерного излучателя на оружии при наведении его в высвечиваемые на экране точки.

.7. Разработанный при непосредственном участии автора стрелковый тренажер для коллективного боя (шифр "Ингибитор") в 2004 г. выдержал государственные испытания и принят на вооружение МО РФ.

8. Результаты работы внедрены в учебный процесс ИжГТУ по дисциплине «Моделирование» для специальности 23.01.01. Изданы два методических указания для проведения лабораторных работ.

9. Результаты испытаний подтвердили правильность математических моделей и технических решений, реализованных в процессе разработки, исследований и испытаний отдельных узлов и тренажера в целом.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Корнилов И.Г., Казаков B.C. Модели лазерного пятна датчика координат стрелкового тренажера / Материалы межд. НТК, посвященной 50-летшо ИжГТУ, 4.5. - Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2002. - с. 82-85.

2. Корнилов И.Г., Веркиенко Ю.В., Казаков B.C., Коробейников В.В. Автоматизация идентификации мишени стрелкового тренажера / Труды Всероссийской НТК "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства". - Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2005. - с. 88-95.

3. Корнилов И.Г., Веркиенко Ю.В., Веркиенко А.Ю,, Афанасьев А.Н., Казаков B.C. Оптико-электронные преобразователи координат стрелковых тренажеров / Труды Всероссийской НТК "Приборостроение в XX! веке. Интеграция науки, образования и производства". - Ижевск: Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2005. - с. 6776.

4. Корнилов И.Г., Веркиенко Ю.В. Модель проектора для визуализации целей в стрелковом тренажере / Труды Всероссийской НТК "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства". - Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2006.-с. 57-68.

5. Корнилов И.Г. Проблема реалистичности подсистемы визуализации целей, имитации выстрела и регистрации попадания в стрелковом тренажере / Труды Всероссийской НТК "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства". - Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2006. - с. 69-75.

6. Корнилов И.Г. Результаты испытаний стрелкового тренажера на точность измерения координат точек попадания (наведения) / Труды Всероссийской НТК "Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства". -- Ижевск: Изд. ИжГТУ, 2006. - с. 84-89.

7. Корнилов И.Г. Схема подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере. Сборник трудов молодых ученых "Информационные системы в промышленности и образовании". - Ижевск: Издательский дом ИПМ УрО РАН, 2006. - с.97-99.

8. Корнилов И.Г., Веркиенко Ю.В., Афанасьева НЛО. Обратная модель системы "проектор - экран - оптико-электронный преобразователь" стрелкового тренажера / Вестник ИжГТУ 2006, вып. 4(32), с. 47-52.

9. Корнилов И.Г., Коротаев В.Н., Коробейникова И.В. Информационные измерительные системы для стрелкового оружия и их программное обеспечение. / Доклады V Всеросийской НТК "Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии". Тула: Изд. ТулГУ 2006. - с.124-128.

10. Корнилов И.Г., Веркиенко Ю.В., Афанасьев А.Н., Казаков B.C. Модели и идентификация мишени в стрелковом тренажере с имитацией стрельбы / Интеллектуальные системы. Изд. ИжГТУ, 2006, вып. 1. - с. 108-123.

11. Корнилов И.Г., Веркиенко А. Ю., Казаков В. С., Афанасьев А.Н., Пахарь В. К. Оптико-электронный тренажер коллективного боя // патент РФ № 212211433 от 27.08.2003, кл. F41 G41 J5/10 по заявке № 2002119486/02 от 17.07.2002, Москва 2003 г. - 12 с.

Соискатель

И.Г. Корнилов

Подписано в печать 25.11.2006. Бумага офсетная. Формат60x84 1/16. Усл. печ.л. 1,39. Тираж 100 экз. Заказ№ 197.

Отпечатано в типографии издательства ИжГТУ 426069, Ижевск, Студенческая, 7

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ стрелковых тренажеров. Стрелковый тренажер как 11 информационно - измерительная система

1.2. Оптико-электронные преобразователи координат

1.3. Подсистема визуализации целей, имитации выстрела и 19 определения точки попадания в стрелковом тренажере

1.4. Реалистичность подсистемы имитации выстрела и 22 определения точки попадания в стрелковом тренажере

1.5. Выводы по главе

2. МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ ИМИТАЦИИ ВЫСТРЕЛА И 27 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЧКИ ПОПАДАНИЯ В СТРЕЛКОВОМ ТРЕНАЖЕРЕ

2.1. Использование матричных преобразований для построения 28 математических моделей

2.2. Модель проектора для визуализации целей

2.3. Модель оптико-электронного преобразователя с координатно- 34 чувствительными фотоприемниками

2.4. Модель оптико-электронного преобразователя с 40 интегральными фотонриемниками

2.5. Модель лазерного пятна. Спекл-эффект.

2.6. Модель оптико-электронного преобразователя с 50 фотолинейками

2.7. Модель лазерного излучателя установленного на имитаторе 60 оружия

2.8. Выводы по главе

3. ОПИСАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ 66 СИСТЕМЫ

3.1. Схема подсистемы имитации выстрела и определения точки 66 попадания

3.2. Техническая реализация датчика координат на основе 72 фотодиодов

3.3. Техническая реализация датчика координат на основе 75 фотолинеек

3.4. Техническая реализация излучателя имитатора оружия

3.5. Экран для датчика координат

3.6. Выводы но главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ И НАТУРНЫХ 82 ИСПЫТАНИЙ

4.1. Компьютерное моделирование и идентификация моделей ПВИР

4.2. Результаты испытаний датчика на основе фотодиодов

4.3. Результаты испытаний датчика па основе фотолинеек

4.4. Методика и результаты испытаний ПВИР на точность на предварительном этане сдачи

4.5. Результаты исследовании автоматической идентификации подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания

4.6. Методика проведения и результаты приемо-сдаточных испытаний па точность

Актуальность темы. Большой интерес к разработке стрелковых тренажеров объясняется тем обстоятельством, что при их использовании в учебном процессе резко возрастает эффективность обучения, сокращаются сроки обучения, может быть достигнута значительная экономия материальных и денежных ресурсов, обеспечивается безопасность в процессе обучения без пулевой стрельбы. Переход от пулевой стрельбы с выбросом химических продуктов сгорания пороха и загрязнением окружающей местности свинцом к ее имитации полностью снимает проблемы экологии и защиты окружающей среды.

В современных условиях в связи со сложившейся экономической ситуацией в России удешевление обучения приобрело еще большую актуальность. Кроме того, стала актуальной задача предотвращения хищения оружия и боеприпасов, которое абсолютно исключено при обучении и тренировках на тренажерах без применения боевого оружия.

Патентно-информационный анализ показывает, что в мире идет процесс совершенствования тренажеров, процесс появления тренажеров нового поколения с имитацией местности, местных предметов, подвижных и неподвижных целей, с имитацией отдачи и звуковых эффектов при "выстреле". С другой стороны, из-за сложившейся экономической ситуации в России в настоящее время тренажеры практически не изготавливаются. Тем не менее, ОАО "Ижмаш" и ИжГТУ выполнили тему "Ингибитор" по созданию оптико-электронного стрелкового тренажера, предназначенного для обучения и тренировки личного состава мотострелковых, разведывательных и пулеметных подразделений (отделений), подразделений родов войск и специальных войск действием при оружии в соответствии с Курсом стрельб [81,82]. Тренажер прошел государственные испытания и принят на вооружение армии РФ. В настоящее время ведется подготовка к выпуску промышленных образцов стрелкового тренажера и в диссертации приведены результаты исследований, благодаря которым, в том числе, создан тренажер и принято решение об его промышленном изготовлении.

Для формулирования цели и задач исследований необходимо провести анализ существующих тренажеров, чтобы определить объект исследований, в данном случае - какие измерения производятся для определения результатов выстрела, какова требуемая точность измерений, каков диапазон измеряемых величин, каковы критерии оценки результата "выстрела" (достоинства выстрела) и т.д. Так как с помощью тренажеров моделируются реальные объекты и процессы, то для понимания тренажеров (моделей) и их классификации необходимо начать с реальных объектов и процессов. Понимание того факта, что тренажер является моделью реальных объектов и процессов приводит к мысли об адекватности модели, что, в свою очередь, - к мысли об использовании тех же самых критериев оценки достоинства "выстрела", аналогичных требований к допустимой погрешности измерений и т.д. Этот перенос с реального объекта на модель, с другой стороны, не должен быть механистическим. Необходимо при условии сохранения адекватности, учитывать различие последствий от действий в боевой обстановке и на модели, например, последствия от поражения (попадания) или не поражения (промаха) цели.

Мы выделяем виды испытаний (стрельб):

- стрельба в реальных условиях (боевой обстановке, на полигоне, в тире) с фиксацией факта поражения (попадания-промаха);

- стрельба в производственных условиях для приведения оружия к нормальному бою и контроля точности (меткости и кучности) стрельбы с измерением координат точек попадания для вычисления оценок меткости и кучности стрельбы, а также поправок для корректировки положения мушки (приведения к нормальному бою);

- учебная стрельба в открытом или закрытом тирах по трафаретным мишеням с определением количества выбитых очков;

- спортивная стрельба по трафаретным мишеням с определением количества выбитых очков.

Эти четыре вида стрельб подразумевают три разновидности измерений:

- измерение-фиксация факта попадания в фигурную мишень;

- измерение-фиксация факта попадания или промаха в зоны трафаретной мишени, оцениваемое соответствующим количеством очков;

- измерение координат точек попадания с последующим вычислением координат средней точки попадания (оценка меткости стрельбы), кругов R100, R80, R50 относительно контрольной точки (оценки точности стрельбы, т.е. интегральные оценки меткости и кучности стрельбы), кругов R100, R80, R50 относительно средней точки или с плавающим центром, поперечника П100, сердцевинных отклонений Сб, Св, срединных отклонений Вб, Вв, размахов по боку и верху Wx, Wy (оценки кучности стрельбы).

В случае бесконтактной автоматической мишени второй вид измерений-фиксации можно заменить измерением координат точек попадания с последующим расчетным определением зон трафарета и количества выбитых очков.

В стрелковом тренажере нового поколения осуществляется имитации стрельбы. В результате физические объекты: пуля, ее траектория и пробоины в мишени в стрелковом тренажере отсутствуют. Реальное (боевое) оружие заменяется имитатором, реальный выстрел и эффект от него в виде пробоин в мишени заменяются, например, кратковременным лазерным излучением, формирующим лазерное пятно на экране тренажера. Оптико-электронный преобразователь предназначен для определения координат этого пятна, чтобы определить "точку попадания". В результате в тренажере можно выделить подсистему визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания.

Имитация выстрела должна сопровождаться имитацией отдачи. Это самостоятельная задача, не входящая непосредственно в задачи подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания. Соответственно имитация отдачи не входит в задачу наших исследований.

Цель работы заключается в проведении комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических решений по созданию подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковых тренажерах, путем разработки аппаратных средств (проектора, экрана, оптико-электронного преобразователя координат - датчика координат и лазерного излучателя на имитаторе оружия) и оптимизации их параметров, разработки моделей и программного обеспечения, обеспечивающего идентификацию моделей, обработку результатов измерений и реалистичность тренажера

Для достижения поставленной цели решаются задачи:

- разработка новых оптико-электронных преобразователей координат с оптимизацией их параметров;

- разработка, исследование и идентификация параметров физических математических и регрессионных моделей оптико-электронных преобразователей координат в мишенях тренажеров, учитывающих дальность "стрельбы" и расположение позиции;

- разработка способа автоматической идентификации подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и регистрации попадания;

- экспериментальная проверка разработанных оптико-электронных преобразователей и алгоритмов, определение точностных характеристик.

Объектом исследования является подсистема визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковых тренажерах нового поколения.

Предметом исследования являются аппаратные средства ПВИР, модели элементов ПВИР (проектора, экрана, оптико-электронного преобразователя координат - датчика координат и лазерного излучателя на имитаторе оружия), способы идентификации моделей и программное обеспечение ПВИР, интегрированное в оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя.

Методика исследования

В работе для теоретических исследований применялись методы теории информационно-измерительных систем, аналитической геометрии и погрешностей измерений. При разработке устройств ПВИР и алгоритмов использовались методы теории цифровых вычислительных систем, измерительной техники, схемотехники, теории цифровых автоматов, теории оптико-электронных приборов и программирования. Для проверки моделей и теоретических зависимостей использованы методы статистического моделирования и результаты натурных испытаний. Исследование моделей и их идентификация осуществлялись с помощью математических пакетов.

Научная новизна и личный вклад автора состоят в следующем:

- разработаны элементы оптико-электронные преобразователи координат аналогового (с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками) и дискретного (с фото-линейками) типа;

- разработаны математические модели основных элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, в частности, модель лазерного излучателя на имитаторе оружия, модель оптико-электронного преобразователя аналогового типа с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками, модель дискретного оптико-электронного преобразователя с фото-линейками, модель проектора;

- найден способ уменьшения влияния спекл-эффекта на точность определения координат датчиками аналогового типа;

- обоснованы способы идентификации моделей (идентификация оптико-электронного преобразователя в автоматическом режиме, а также лазерного излучателя без непосредственного измерения координат лазерного пятна на экране тренажера).

Практическая ценность и внедрение результатов работы

1. Модели и алгоритмы функционирования элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания.

2. Алгоритмы и программы идентификации и функционирования элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, интегрированные в оптико-электронный тренажер для коллективного боя.

3. Оптико-электронные преобразователи координат аналогового (с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками) и дискретного (с фото-линейками) типа и лазерный излучатель имитатора оружия.

4. Результаты испытаний и внедрения. Публикации, пакеты программ и патент.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке оптико-электронных стрелковых тренажеров по теме "Ингибитор" с МО РФ (по теме "Разработка и исследование стрелкового тренажера" с ОАО "Ижмаш" (2000

2004 г.)), по Программе сотрудничества между Министерством образования РФ и Министерством обороны РФ (Раздел программы "Инновационное сотрудничество" (2003-2004 г.)), а также в НИР (Темплан № 3.01.01, 2001-2003 г.) и учебном процессе в ИжГТУ.

Апробация и публикации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях "Ученые ИжГТУ - производству" в 2000-2006 годах; на семинарах научно-молодежной школы "Информационно-измерительные системы на базе наукоемких технологий" по Целевой Федеральной Программе "Интеграция" (проект № 864) в 2000 году (г. Ижевск); на Всероссийской НТК Приборостроение в XXI веке "Интеграция науки, образования и производства" в 2001 и 2006 годах; на международной НТК, посвященной 50-летию ИжГТУ в 2002 г.; на международном форуме "Высокие технологии - 2004" в 2004г. (г. Ижевск); Пятой Всероссийской НТК "Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии" (г.Тула, ТулГУ, 2006г.); Всероссийской НТК "АСУИТ-2006", (г. Пермь, ПГУ, 2006г).

Макет тренажера демонстрировался на совещании с представителями Росвооружения (г. Кубинка, 2004г.), представителям НАТО и КНР (г. Москва, лето 2006г.). Оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя (шифр "Ингибитор") прошел государственные испытания в 2004 г. Материалы работы обсуждались и использовались при выполнении НИР по программе "Конверсия" (проект № 01.9.70 006112, 2001 г.) и по Целевой Федеральной Программе "Интеграция" (проект № 864, 1997-2000 г.).

Основной материал диссертации отражен в 10-и печатных работах и 4-х отчетах НИР. Получен патент РФ "Оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя".

Структура и объем работы

Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы и приложение (Акты внедрения). Общий объем работы 121 с. машинописного текста, список литературы содержит 142 наименования. В работу включено 56

8. Результаты работы внедрены в учебный процесс ИжГТУ по дисциплине «Моделирование» для специальности 23.01.01. Изданы два методических указания для проведения лабораторных работ (на электронном носителе).

9. Результаты испытаний подтвердили правильность моделей и технических решений, реализованных в процессе разработки, исследований и испытаний отдельных узлов и тренажера в целом.

Так как выводы научно-технического характера сформулированы в каждой главе, то по результатам выполненных исследований, связанных с созданием подсистемы для оптико-электронного стрелкового тренажера коллективного боя, можно сделать следующее заключение.

1. На основании анализа стрелковых тренажеров и экспериментальных исследований определены параметры оптико-электронного стрелкового тренажера (и в частности ПВИР) по быстродействию, по точности регистрации координат точки наведения, по совместимости одновременной работы нескольких стрелков.

2. На основании анализа литературных источников и опыта разработки стрелкового тренажера в вузовско-академическом отделе «Методы испытаний тепловых машин» при ИжГТУ выбраны схемы перспективных датчиков координат (аналогового типа на фотодиодах и дискретного типа на фото-линейках), проведена их разработка и исследование. Для тренажера коллективного боя рекомендован дискретный датчик координат на ПЗС-линейках, имеющий более стабильные характеристики, меньшую зависимость от световых и других помех и необходимую точность.

3. Разработаны модели основных узлов ПВИР (проектора, оптико-электронных преобразователей координат, лазерного излучателя установленного на оружии). Это пространственные модели системы косвенных измерений, в большинстве случаем являющиеся дробно-рациональными нелинейными моделями.

4. Ввиду невозможности определения или задания параметров моделей с требуемой точностью принято решение об идентификации (тарировке) параметров моделей по экспериментальным данным. В качестве критерия определения параметров моделей выбран метод наименьших квадратов, обладающий высокой помехоустойчивостью и сглаживающий ошибки отдельных измерений за счет избыточного количества экспериментальных данных (числа степеней свободы) при идентификации моделей.

5. Для сокращения времени получения экспериментальных данных для идентификации и исключения при этом субъективных ошибок наведения стрелка предложен и реализован метод автоматической тарировки при котором световое пятно, необходимое для идентификации датчика координат, высвечивается на экране тренажера с помощью проектора по программе, заложенной в компьютер тренажера.

6. Для повышения точности определения координат предложена и реализована вторичная идентификация, т.е. идентификация модели лазерного излучателя на оружии при наведении его в высвечиваемые на экране точки.

7. Разработанный при непосредственном участии автора стрелковый тренажер для коллективного боя (шифр "Ингибитор") в 2004 г. прошел государственные испытания и принят на вооружение МО РФ.

1. Disapearing target. Патент № 5215463, кл. F41G 3/26, США, 1993.

2. Laser Focus, № 9, 1982. с. 44.

3. Light pen marksmanship trainer. Патент № 4583950, кл. A63F 9/22, США, 1986.

4. Machine gun and minor caliber weapons trainer. Патент № 5035622, кл. F41G3/26, США, 1991.

5. Marksmanship expert trainer. Патент № 4923402, кл. F41G 3/26, США, 1990.

6. Projected imaged weapon training apparatus. Патент № 4680012, кл. F41G 3/26, США, 1987.

7. Shooting simulating process and training device. Патент № 5194006, кл. F41G3/00, США, 1993.

8. Target trainer. Патент № 4824374, кл. F41J 5/08, США, 1989.

9. Training aid. Патент № 4820161, кл. F41G 11/00, США, 1989.

10. Video target training apparatus for marksmen, and method. Патент № 4955812, класс F41F 27/00, США, 1990.

11. Weapon aim-training apparatus. Патент № 4619616, кл. F41G 3/00, США, 1986.

12. А. с. № 213 213 (СССР). Способ слежения за источником светового излучения // Г. П. Катыс, В. Д. Зотов, по заявке № 1069106/26-25 от 24.03.66. -Бюл. № 7, 1969.

13. А. с. № 225 331 (СССР). Способ слежения за источником светового излучения // В. Д. Зотов, Г. П. Катыс, Н. В. Кравцов, В. Б. Широков, по заявке № 1112698/26-25 от 14.11.66. Бюл. № 27, 1968.

14. А. с. СССР № 201166, кл. F41/G 3/26.

15. А. с. СССР № 282967, кл. F41/G 3/26.

16. А. с. СССР № 445822, кл. F41/G 3/26.

17. А. с. СССР № 544276, кл. F41/G 3/26.

18. Бегунов Б. Н., Заказнов Н. П. Теория оптических систем (учебное пособие для втузов). М.: Машиностроение, 1973. - 488 с.

19. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. Учебное пособие для втузов. М.: Машиностроение, 1973. - 488 с.

20. Беклемишев Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. -М.: Наука, 1974.-320 с.

21. Бородачев Н. А. Основные вопросы теории точности производства. М.: Изд. АН СССР, 1950.-416 с.

22. Бородюк В. П., Лецкий Э. К. Статистическое описание промышленных объектов. М.: Энергия, 1971. - 111 с.

23. Брайэн Уолтере. Новые тактические тренажеры фирмы Simfire. Перевод № Ж3-2322, ГНТИ, 1986, журнал Defence, 1984, апрель, т. 15, № 4. -с. 179.

24. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. // Под ред. Г. Гроше, В. Циглера. Пер. с нем. - М.: Наука; Лейпциг, Тойбнер, 1981. - 719 с.

25. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: ГИТТЛ, 1955. - 608 с.

26. Быков В. В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. -М.: Советское радио, 1971. 328 с.

27. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962. - 564 с.

28. Веркиенко А. Ю. Идентификация датчика координат тренажера с четы-рехсекционным приемником и лазерным излучателем // Сб. трудов научно-молодежной школы по ФЦП "Интеграция". Ижевск, Изд. ИПМ УрО РАН, 1997.- с. 20-22.

29. Веркиенко А. Ю., Кузьмин А. С. О требуемом быстродействии датчика координат тренажера // Сб. трудов научно-молодежной школы по ФЦП "Интеграция". Ижевск: Изд. ИПМ УрО РАН, 1997. - с.84-86.30