автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка и исследование оптико-электронных преобразователей координат для стрелковых тренажеров

На правах рукописи

РГБ ОД

- э т\ 2зса

УДК 621.391:681. 142.

Веркиенко Александр Юрьевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ КООРДИНАТ ДЛЯ СТРЕЛКОВЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

Специальность: 05. 11. 13 - приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2000

Работа выполнена в Институте прикладной механик» УрО РАН

11аучныи руководитель - доктор технических наук,

профессор Ю. К. Шелковников (г. Ижевск)

Официальные оппоненты: Чл.-кор. РАН, профессор

В. 1?. Кондратьев (г. Нижний Новгород)

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

Ведущая организация: Уфимский государственный авиационный

на заседании диссертационного совета Д 200.70.02 в Институте прикладной мехаш УрО РАН по адресу: 426000, г.Ижсвск, ул.Горького, 222

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН.

технический университет (г. Уфа)

Защита диссертации состоится "<ЗУ" &{)Ре.ЛЯ 2000 г. в //

часов

г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н.

В. В. Тарасов

ВВЕДЕНИЕ

Большой интерес к разработке стрелковых тренажеров объясняется тем обстоя->ством, что при их использовании в учебном процессе резко возрастает эффек-ггосгь обучения, сокращаются сроки обучения, может быть достигнута значимая экономия материальных и денежных ресурсов, обеспечивается безопасность юцессе обучения без пулевой стрельбы. Переход от пулевой стрельбы с выбро-химических продуктов сгорания пороха и загрязнением окружающей местности том к ее имитации полностью снимает проблемы экологии и защиты окру-)щей среды. Обучение и тренировка на стрелковых тренажерах исключают хи-[ие боевого оружия и боеприпасов.

Одним из важных узлов стрелкового тренажера является мишень, обеспечиваго-определение результатов попадания. Используемые в зарубежных и отечест-1ых тренажерах датчики координат типа светового пера и телекамеры не обеспе-нют необходимых точности и периодичности (быстродействия) измерений. Соз-ие датчиков координат, обеспечивающих требуемые точность, быстродействие и I поля зрения, позволит решить одну из задач создания отечественных тренаже-нового поколения, превосходящих по тактико-техническим характеристикам за-гжные. Таким образом, тема диссертации "Разработка и исследование оптико-стронных преобразователей (ОЭП) координат стрелковых тренажеров" является ■альной.

Цель работы заключается в теоретическом и экспериментальном исследовании 1 для стрелковых тренажеров, удовлетворяющих по основным техническим ха-геристикам - быстродействию, размерам поля регистрации и точности измере-координат.

Цля достижения поставленной цели решаются задачи:

- разработка критериев допустимой точности измерений координат в мишенях чко-электронных стрелковых тренажеров;

■ разработка новых оптико-электронных преобразователей с оптимизацией их шетров;

• разработка, исследование и идентификация параметров физических и регрессных моделей оптико-электронных преобразователей координат в мишенях тре-еров, инвариантных к дальности "стрельбы";

• экспериментальная проверка разработанных преобразователей и алгоритмов. Объектом исследования являются оптико-электронные преобразователи коор-ат для стрелковых тренажеров.

Предметом исследования являются методы анализа и синтеза оптико-ггронных преобразователей, теории погрешностей и идентификации мишеней :лковых тренажеров.

Методика исследования

В работе для теоретических исследований применены, главным образом, методь теории вероятностей я математической статистики, теории информационно измерительных систем и погрешностей измерений. При разработке мишеней и алгоритмов использовались методы теории цифровых вычислительных систем, измерительной техники, схемотехники, теории оптико-электронных приборов и программирования. Для проверки моделей и теоретических зависимостей использованы методы статистического моделирования и результаты натурных испытаний.

Научная новизна и личный вклад автора состоят в следующем:

- разработан критерий 1 допустимой точности измерений координат в оптико-электронных тренажерах, основанный на допустимом изменении вероятности попадания; выполнены расчеты и произведено сопоставление с известным критерием 2 основанном на ограничении допустимой вероятности противоположных решений принимаемых по реальной выборке по сравнению с идеальной;

- обосновано быстродействие ОЭП координат для стрелкового тренажера;

- исследована зависимость вероятности ошибочного решения "попадание-промах' от погрешности квантования и разработан алгоритм коррекции результата дл; уменьшения ошибки при разных законах распределения рассеивания оружия;

- исследованы варианты кодовых масок дискретных датчиков координат, определены погрешности и доказана оптимальность двоичных однопереходных кодов, например, типа кода Грея;

- разработаны физические модели и произведена оптимизация параметров ОЭП;

- исследованы алгоритмы идентификации моделей и разработаны инвариантные регрессионные модели;

- предложены методы определения свала оружия с помощью оптико-электронных преобразователей координат для стрелковых тренажеров.

Практическая ценность н внедрение результатов работы

1. Аналитические зависимости для оценки допустимой точности определение координат в мишенях стрелковых тренажеров.

2. Модели и алгоритмы функционирования и идентификации мишеней оптико-электронных стрелковых тренажеров.

3. Изготовленные и исследованные оптико-электронные преобразователи координат для стрелковых тренажеров.

4. Результаты испытаний и внедрения. Публикации, программы и патенты.

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", при выполнении гос. бюджетной НИР по теме "Конверсия" (проект № 01.09.70 006112, 19972000 г.), при выполнении НИР "Создание оптико-электронного тренажера нового

коления" по ЦФП "Интеграция" (проект № 864, 1997-1998 г.), а также в учебном оцессе в ИжГТУ.

Апробация н публикации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: ежегодных на-но-технических конференциях "Ученые ИжГТУ - производству" в 1990-1999 гок, на семинарах научно-молодежной школы "Информационно-измерительные гтемы на базе наукоемких технологий" по Целевой Федеральной Программе нтеграция" (проект № 864) в 1997-1999 годах (г. Ижевск). Макет тренажера с па-рамным датчиком координат с линейками излучающих ИК-диодов демонстриро-тся на курсах "Выстрел" МО РФ в 1995 году (г. Кубинка). Материалы работы об-« дались и использовались при выполнении НИР по программе "Конверсия" юект № 01.9.70 006112) и по Целевой Федеральной Программе "Интеграция" юект№ 864).

Основной материал диссертации отражен в 20-ти печатных работах, отчетах IP. Получено 4 положительных решения по заявкам на патенты по оптико-кронным мишеням стрелковых тренажеров. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы >9 наименований) и приложения, содержащего описание мишеней тренажеров с [личными ОЭП и документы о внедрении. Работа содержит 185 страниц машино-:ного текста, включая 105 иллюстраций, 10 таблиц и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе с целью постановки задачи исследований анализируются стрел-¡ые тренажеры и их оптико-электронные преобразователи координат; анализи-огся виды испытаний, связанных со стрельбой, согласно наставлениям МО РФ, Щ РФ и Правилам проведения спортивных соревнований; обсуждаются требова-I по размерам поля регистрации (мишени), точности измерений, по быстродейст-о, а также дополнительные требования, влияющие на выбор метода и конструк-(ные параметры. Погрешность измерений в первичных документах, как правило, оговаривается. По известным рекомендациям она колеблется от 0.001 т. д. в слу-международных спортивных состязаний и до 0.5 т. д. - по требованиям МО РФ. Для определения требуемого быстродействия датчика координат были зарегист-юваны траектории точки наведения на экране тренажера с дискретным ОЭП при рельбе" из учебного оружия с имитацией отдачи из разных положений в одиноч-\ и автоматическом режимах. Исходя из погрешности 0.5 т. д. (в случае армей-го тренажера) и зарегистрированной скорости перемещения точки наведения по-нажатия на спусковой крючок, установлен шаг квантования по времени до 2 мс О Гц). В случае обучения групповому бою на армейском тренажере за это время

может быть произведен выстрел каждым из восьми солдат подразделения. Поэтому время одного измерения и успокоения усилителя фотогока оптико-электронного преобразователя должно быть на порядок меньше (частота 5 КГц), что объясняет неприемлемость ОЭП типа светового пера или TV-камеры в качестве датчика координат для армейского тренажера.

Исходя из требований по точности, быстродействию и углу поля зрения выбраны оптико-электронные преобразователи координат, разработке моделей, идентификации и оптимизации параметров которых посвящена работа. Это модернизированный путем замены нониусного датчика двоичным с однопереходным кодом типа кода Грея тренажер В.К. Пахаря и 4 схемы, на которые получены положительные решения по заявкам на патенты (панорамная мишень с бегущими по экрану лучами; панорамная мишень с четырехсекционным фотоприемником на оружии и излучающими ИК-диодами на экране; мишень с лазерным излучателем на оружии и стационарным ОЭП с четырьмя фотоприемниками напротив экрана; тренажер для спортивной стрельбы с ОЭП на сканисторах или мультискане).

Вторая глава посвящена обоснованию требуемой точности измерения. Подход к решению этой задачи основан на подобии модели (тренажера) реальному объекту (пулевой стрельбе). Вопросу назначения требуемой точности измерений посвящено большое количество работ, в которых рассматриваются измерения как детерминированных (Бородачев H.A., Вигман Б.А., Дунаев Б.Б., Рабинович С.Г., Розенберг В .Я., Тейлор Дж. и др.), так и случайных объектов (Гусев В.П., Гущин В.В., Гущин И.В., Котляр А.Б., Покладов В.А., Попеляш Е.А., Резник С.И., Рубичев H.A., Фомин A.B., Фрумкин В.Д., Шор Я.Б. и др.). Применительно к случайным объектам рассмотрение ведется в одном из трех пространств: физическом пространстве измеряемых величин (в данном случае координат точек наведения), вероятностном пространстве и, наконец, в стоимостном. С учетом "игрового" характера обучения и тренировки на тренажере использовать стоимостное пространство нет смысла. Кроме того, возникают проблемы при определении стоимости, особенно в настоящее время. Следует отметить, что любой процесс измерения и принятия решения наряду с формальной стороной имеет неформальную, связанную с выбором критерия и назначением его конкретного допустимого значения (в данном случае определяющего допустимую погрешность измерения). Это значение выбирается директивно, что называется "с потолка" с привлечением соображений здравого смысла. Такой выбор в физическом пространстве (координат) практически необъясним, и поэтому логично оперировать в вероятностном пространстве.

Для применения вероятностного подхода обоснованы законы распределения

Osi

ш

a

pu

o£l

•h*

V<

Os ° c.l. Двухсторонние игическгге области

z=x+c z=x-c

hz

-hj

2 Z=X'C

У

:сеивания исходя из центральных предельных теорем теории вероятностей и шципа максимума неопределенности, т.е. энтропии, (нормальный в случае статных условий испытаний) и лапласов (в случае нестабильных условий испыта-\), а также аналогичные законы погрешностей измерений и дополнительно рав-лерный (для погрешности квантования в дискретных датчиках). Выбраны типо-г цели - полосовая (ростовая фигура, например, мишень № 8 и квадратная (груд-[ фигура, Например, № 4 согласно Курсу стрельб МО РФ).

Предложен критерий I, основанный на допустимом изменении вероятности гадания-промаха, вызванном неточными измерениями. Кроме того, применен из-тный критерий 2, основанный на допустимом изменении вероятности противо-южных решений (ошибок I рода) о попадании-промахе, принимаемых по реаль-м измерениям по сравнению с идеальными. На рис. 1 показаны двусторонние пические области проверки гипотез (X - результат идеального измерения, X+Y - результат реального измерения с погрешностью Y).

На рис.2 изображены области задания плотностей распределения в случае законов NR и LR (первая буква соответст-

Рис.2. Области задания плотностей вует рассеиванию, а )рая - погрешности измерений). Имеем ах = г+у, а2= 6+у; е = 1-6-аг; 8 = 1-9-а„ ; ах, аг - уровни значимости проверки гипотезы в случае идеальных и реальных лерений, 9 и у - вероятности одинаковых решений (попадание или промах), 8 и е -гаятноста ошибок I и II рода (противоположных решений).

В работе определены законы распределения композиции и вероятности попада-к в полосовую цель. Результаты вычислений иллюстрируются рис. 3, 4, на кото-х: а - относительный размер цели (a=h/ox), 5Р..(аД) - относительное изменение юятности попадания-промаха, Х...(а,5Р) - относительная погрешность измерения, рис. 5 показана вероятность ошибки I рода 5..( аД) при фиксированных критиче-IX значениях hx=hz и фиксированных уровнях значимости a,=az Последние зави-vîocth имеют максимум при относительном размере цели около 0.5.

Критерии эквивалентны, если ô приблизительно в 1.5 раза больше по сравне-ю с SP. Величинам 6=0.15 и 5Р=0.1 соответствует для автомата Калашникова, тример, погрешность 0.5 т.д.

hx

-h,

10

5

0 20

15

10

5

0

5Р1.Ы(а.0.15) 5рщаД)

Рис. 3.

1.2 1.6

! | г

5РЫ .(А.) г три а—\

' ( 1 ! ! 1 \Т№

! X

0 0.2 0.4 0.6 0.8

15

¡\бНК(аЛ) при а2=а х >¿==0.355'

Рис. 4.

Рис. 5.

В дискретном датчике имеется погрешность квантования с равномерным законом распределения, аналогичная погрешности округления чисел при цифровых вычислениях. В случае тренажера характерной особенностью является то, что границы цели заранее известны. Ошибка принятия решения "попадание-промах" происходит в случае, когда граница цели лежит в пределах кванта, соответствующего зафиксированному результату измерения. В случае обычного подхода при попадании квантованного результата измерения в область цели фиксируется попадание, а в противном случае - промах, несмотря на то, по какую сторону от границы цели лежит точка попадания. Поэтому розыгрыш попадания-промаха по схеме событий с вероятностями нахождения точки попадания по каждую сторону от границы цели уменьшает вероятность ошибочных решений как минимум в 2 раза. Исходя из оценки сверху при допустимой величине вероятности неправильных решений 10% для допустимой величины кванта с получен критерий Р(с/2ох)-Р(-с/2ах)<0.2, кото-

1 1

рый при нормальном законе х - N(0, о ) дает с<0,5ох , что аналогично допусти-

й погрешности для непрерывных случайных величин. Р(и) - интегральная функ-я распределения рассеивания величины и.

Третья глава посвящена разработке моделей оптико-электронных преобразовали для стрелковых тренажеров. В ней приводятся пространственные модели: бло-развертки лазерного луча; стационарного ОЭП с фоконами и четырьмя фотопри-никами; лазерного излучателя, установленного на оружии; ОЭП с бегущими лу-«ш, установленного на оружии и ОЭП на основе четырехсекционного фотоприемка, установленного на оружии. Основное внимание уделено получению инвари-гных моделей с минимальным количеством параметров и измеряемых физических 1ичин. Предпочтение отдается моделям прямого счета, обеспечивающим макси-яьное быстродействие в рабочем режиме функционирования тренажера.

Все схемы ОЭП координат тренажеров связаны с пространственными моделя-. Например, положение стационарного ОЭП с четырьмя фотоприемниками отно-гельно экрана можно задать координатами его расположения (хр, ур, ц) и углами Р, у поворота системы координат преобразователя относительно системы коор-нат экрана (Рис.6). Если ОЭП установлен на оружии, то аналогично задается положение оружия относительно экрана, а затем положение ОЭП относительно оружия. Задание пространственного положения формализуется с помощью матричных преобразований, используемых, например, в САПР и робототехнике.

Обозначим через М(х,а), М(у,Р), М(г,у) матрицы вращения относительно осей X, У,'Т соответственно на углы а, р, у. В правой системе координат при

/V, п

Рис.6. Пространственная схема преобразования координат

воротах против часовой стрелки имеем

"1 0 0" ~с2 0 -52" сЗ эЗ 0"

М(х, а) = 0 с1 ; м(у,р) = 0 1 0 ; М(г,у) = -эЗ сЗ 0

0 с 1 0 с2_ 0 0 1_

; с1=соза; с2=созр; сЗ=со5у; Б^БШа; 52=зт(3; $3=5ту. Преобразование вращения, например, на угол а относительно оси X сводится к гричному умножению Р'( х', у', г' )=М(х, а )Р(х,у,г).

В случае ряда последовательных поворотов относительно соответствующих осей жно определить общую матрицу преобразования, равную произведению соответ-

ствующих матриц вращения (при умножении слева).

Пространственные преобразования в сочетании с уравнениями преобразования световых сигналов в электрические определяют модели ОЭП. Так, например, в случае стационарного ОЭП с четырьмя фотоприемниками площади освещенных пло-

Днафрагма Фокон

Рис.7. Оптическая схема верхнего фотоприемника

Ку =

щадок (Рис. 7) зависят от углового положения лазерного пятна на экране относительно ОЭП: 81=Ьг(Ь++М§а); 82=Ь,(Ы-1ёа).

Приборный коэффициент Ку, равный отношению разности освещенных площадей к сумме (и соответственно, разности напряжений усилителей фототоков к сумме) зависит от углового положения лазерного пятна (и соответственно, координаты точки наведения оружия на экране), так что 51-82 111-112 1

^аи

Ьу

Рис. 8. Изображения щелей ОЭП на экране тренажера

% О

81+82 щ+игЬу

С учетом неидеального расположения ОЭП и аналогичной пары фотоприемников для измерения боковой координаты получаются дробно-рациональные модели вида:

а0 + а1-у+ а2-г

ку--"

г<РЛ

(Хб.^) / * / й- 1 \ Зеркало

а/

\

X И г

К7=

1-аЗ-у-а4-г ЬО + Ы-у + Ъ2-т

Рис. 9. Схема блока развертки лазерных лучей

1 - ЬЗ • у - Ь4 • г Модели являются универсальными (инвариантными) в том смысле, что параллельные переносы и вращения координат не изменяют их структуры. В ОЭП с бегущими лучами с помощью пространственных преобразований определяются проекции щелей на экран тренажера. ОЭП фиксирует моменты времени пересечения бегущими лучами Л1, Л2 проекций щелей в точках (Рис.

8). В случае параллельных лучей модели координат и свала оружия имеют вид:

1 + к 0 1+к 1 + к Н1 + Н2 "¿4-7-3

; к - приборный коэффициент, зависящий от координат точек пересечения »бражений щелей ОЭП с бегущими по экрану лазерными лучами. На рис.9 показана полная модель блока развертки лазерных лучей с учетом ра-

/са II барабана и эксцентриситета Ь.

Уравнения полной (рис.9) и нулевой (11=0, Ь=0) моделей имеют вид:

. 115ту-11со5а~(11со5у + Ь5та)1§(2а~у) Z — 4- у)

cosacos у(1 + tga ■ tgy)

z=zg+L-t£

A-L Zir—Zs T- arctg---:—-+arctg-=—°

L -(zs-^XZh+A-ZS) L

& ,

: A=zt-z6; i = — .(t-tH); а=а„+П'Т. A

В случае ОЭП с четырехсекционным приемником, установленным на оружии, >ез прямоугольную диафрагму 2а х 2Ь от источника излучения, расположенного экране в точке (уэ> z3), проектируется световое пятно с площадками S1...S4 . Ко-щнаты центра пятна выражаются через отношения разностей напряжений к сум-ч. Координаты источника излучения на экране связаны с координатами центра :на в соответствии с пространственной моделью, аналогичной модели ОЭП с че-эьмя фотоприемниками с учетом положения оружия относительно экрана.

Рассмотрена пространственная модель излучателя, установленного на оружии, t сложной оптической схемы линия наведения и ось лазера несоосны, а из-за по-шностей установки еще и неколлинеарны. В результате при разных дальностях и ле оружия изменяется положение лазерного пятна относительно точки наведе-1, что вносит дополнительную погрешность, которая минимальна в случае колли-фности, а при постоянной дальности стрельбы не зависит от свала, если центр ла-ного пятна и точка наведения на экране тренажера совпадают.

Оптико-электронные преобразователи на сканисторе или мультискане имеют :оку разрешающую способность (до 10 мкм) и применимы для высокоточных >ртивных тренажеров. Можно установить два сканистора или мультискана пер-вдикулярно для измерения боковой и вертикальной координат точки наведения и шенить лазер с Г-образной световой зоной. Из конструктивных и схемотехниче-IX соображений целесообразно использовать Г- или П-образный мультискан (в :леднем случае применение лазера с Т-образной световой зоной обеспечивает из-эение свала оружия).

Четвертая глава посвящена идентификации физических, а также разработке и идентификации регрессионных моделей оптико-электронных преобразователей для стрелковых тренажеров и анализу погрешностей известных и новых схем.

Оптнко-электронные преобразователи координат представляют собой системы косвенных измерений. Для вычисления координат по измеренным первичным параметрам с требуемой точностью необходимо знать коэффициенты моделей с соответствующей точностью, которую невозможно обеспечить в процессе установки преобразователей в пространстве. Поэтому требуемой точности измерения можнс добиться лишь за счет идентификации параметров пространственного положения узлов тренажера, а также за счет разработки моделей, инвариантных к неизмеряе-мым параметрам. В этой связи вопросы разработки моделей и их идентификации неразрывны. Кроме того, отдельные модели можно идентифицировать лишь совместно с другими ввиду недоступности для непосредственных измерений их параметров, например, координат центра силы излучения лазерного пятна (имеющего неопределенную форму) и координат бегущего луча на экране тренажера в конкретный момент времени. Поэтому единственным выходом в данной ситуация является совместная идентификация параметров моделей.

Рис. 10, 11 иллюстрируют погрешности нулевой и полиномиальной моделей бегущего луча (мм). Нулевая модель имеет пренебрежимую погрешность.

Погрешность полиномиальной модели степени 3 находится в пределах допуска. Обе модели содержат по четыре параметра.

На рис. 12 изображены графики погрешностей физической модели ОЭП с двумя бегущими лучами Идентификация модели осуществлялась по 9-тг точкам экрана, изображенным на рис. 13, прг номинальных параметра? Ь=5м, ур=0, гр=0, Н1=0.5м Н2=-0.5м, уч=-50мм, к 1=0.01, к2=-0.01. Погрешности определялись при дальносп стрельбы Ь=9 м и свале оружия на 0.2 рад. Очевидно, что ОЭП с двумя бегущими

2

1.33 0.67 О

-0.671 -1.33 -2

Д;-ш4 ~ 1 1

1

| 1 \

]

-1.2-0.8-0.4 О Рис. 10. Погрешность нулевой модели

дно 2 п=3

\ 1

\1 >

|

-1.2-0.8 "0.4 0 0.4 0. 8 1.2

Рис. И. Погрешность полиномиальной модели, п=3

5

Рис. 12. Погрешности определения вертикальной (слева) и боковой координаты (справа).Дальность 9 м

8Т

ис. 13. Точки наведеиия

^ лучами инвариантен к дальности и углу свала. Отметим, что модель с одним бегущим лучом и шестью щелями, достаточными для полной инвариантности по количеству уравнений, оказалась неработоспособной. Отсутствовала сходимость решения нелинейной системы уравнений. Необходимо было подбирать начальные условия и т.д.

Для получения регрессионных моделей анализировался ффициент корреляции координат точки наведения с "инвариантными" переменяй, выбранными из геометрических соображений. Затем были подобраны урав-[ия регрессии. Так как невозможно осуществить измерение положения бегущего [а, то в регрессионной модели использовались непосредственно измеряемые вре-[а. На рис.14 приведены погрешности модели стационарного ОЭП с четырьмя

фотоприемниками (физические дробно-рациональные модели, свал оружия 0.1 рад.). Идентификация проводилась при нулевом свале по измерениям в точках рис. 13. На рис. 15 приведены погреш-;ти инвариантной регрессионной модели ОЭП с четырехсекционным приемником

ис. 14. Погрешности определения вертикальной (слева) и горизонтальной (справа) координаты при свале оружия 0.1 рад.

оружии:

у =-—;--1—уч-ася+Ь,

ку! -ку2

; а, Ь - регрессионные коэффициенты свала и неколлинеарности линии зедения и ОЭП, уч - их несоосность; с - оценка угла свала оружия

д.); ку£, кг, - приборные коэффициенты;

кг. - кг

2 .

-кУг

ку,-ку2

4 2.5

Рис. 15. Погрешности при нулевом свале и при свале 0.1 рад.у=200ь400 мм, г=2003-500 мм

Инвариантность обеспечивалась за счет регистрации 0 сигнала от двух источников излучения, например в точках у и уг для вертикальной координаты.

В процессе исследований определен диапазон изменения дальности "стрельбы" исходя из допустимой ошибки измерений и функционирования ОЭП координат. Основное внимание уделено получению инвариантных моделей с минимальным количеством параметров и измеряемых физических величии. Как частные случаи общих моделей получены нулевые модели, соответствующие идеальному расположению оптико-электронных преобразователей. Предполагается, что при идентификации по реальным измерениям параметры нулевой модели возьмут "нагрузку" на себя и обеспечат требуемую точность измерений в рабочем режиме тренажера. По относительной простоте и минимальному количеству неизвестных величин, которые необходимо определять в рабочем режиме, выделяется модель стационарно установленного датчика координат на основе четырехсекционного фотоприемника. Модель датчика координат со щелями, проходящими через оптическую ось, и двумя бегущими лазерными лучами инвариантна к дальности стрельбы, положению позиции и свалу оружия, если точка наведения совпадает с точкой пересечения оптической оси с экраном тренажера. В результате исследования моделей установлено:

1. Нулевая модель блока развертки лазерного луча на экране тренажера с достаточной точностью заменяет полную модель с сокращением числа параметров с семи до четырех. При этом все параметры за исключением дальности стрельбы сохраняются неизменными, то есть в принципе могут быть измерены при наличии измерительных средств соответствующей точности.

2. Полиномиальная регрессионная модель блока развертки, эквивалентная по точности физической модели, имеет совпадающее с нулевой моделью количество параметров (четыре - полином степени 3).

3. Идентификацию блока развертки целесообразно проводить совместно с идентификацией датчика координат.

4. Целесообразно в случае постоянной дальности стрельбы совмещать точку наведения с лазерным пятном на экране, а в случае переменной дальности добиваться коллинеарности линии наведения и оси лазерного излучателя. Идентификацию лазерного излучателя целесообразно проводить совместно с идентификацией оптико-электронного преобразователя.

5. ОЭП со щелями при одном бегущем луче неприемлем на практике из-за плохой сходимости итерационного алгоритма идентификации. Количество щелей в инвариантном датчике достаточно велико (равно шести).

6. Целесообразно использовать инвариантную регрессионную модель ОЭП с двумя пересекающимися щелями и двумя параллельными бегущими лучами, требующую измерения четырех моментов времени вместо шести в полной инвариантной модели с одним бегущим лучом. Модель обеспечивает измерение угла свала оружия.

7. В случае ОЭП с четырехсекционным фотоприемником на оружии целесо-азны регрессионные модели, в которых используются выявленные из геометри-шх соображений сильно коррелированные с измеряемыми координатами пере-ные. Измерения по трем реперным точкам (трем ИК-диодам) в плоскости экрана :печивают измерение угла свала и инвариантность к дальности стрельбы.

9. Для упрощения моделей ОЭП с четырьмя фотоприемниками и с четырехсек-нным фотоприемником необходимо обеспечить идентичность коэффициентов пения каналов, а определение их относительной величины целесообразно осуще-гть с помощью идентификации при наведении оружия в заданные точки мишени.

10. Обобщая опыт идентификации узлов и моделей датчиков координат оптико-(тронных стрелковых тренажеров, необходимо отметить удовлетворительные ре-ьтаты благодаря применению метода наименьших квадратов в случае избыточ-э количества опытов, а также благодаря применению по возможности моделей мого счета координат по измеренным входным переменным.

В пятой главе содержатся результаты разработки ОЭП и оптимизации их пара-ров, а также результаты экспериментальных исследований. В частности, прове-а оптимизация дискретных ОЭП с линейками излучающих ИК-диодов и кодо-1И масками нониусного типа и с однопереходным кодом типа кода Грея по

критерию минимума количества разрядов и количества ИК-диодов при ограничении на угол поля зрения датчика. Из

и М)

/у л ✓ ✓ ---'X=0. ! 4

а=о.2 ! 1 1 1 1 п

К К п), 1

Г /Т - ' ' ''

п

I 200 400 600 800 1000 0 200 400 600 800 1000 рис. 16 очевидно Рис. 16. Отношения оптимального количества разрядов преимущество

пева) и излучателей (справа) нониусного преобразователя двоичного преоб-к двоичному разователя (с ко-

[ Грея; X - относительная длина кодовой маски, п - количество дискретных от-гов на экране).

Для ОЭП с четырехсекционным фотоприемником и с четырьмя фотоприемни-и получены основные расчетные соотношения и осуществлен выбор параметров ической системы по единому критерию минимума среднеквадратической по-шности (с.к.п.) определения координат. В случае схемы без оптического усиле-

: сигнала с.к.п. равна

= А§2(5Ь,5у),

А

_ КЗщНз

2КДРГ?'

5Ь =

У

н'

——; 5Ь = —

н н

ь

g2(Sh,6y)

b+8L2)y¡Sh2

= ^-í—^-

5v5h 5L

Í5h, если 5h < 0,5; Sv = i „ (i)

' ll-5h.если 0,5<6h<l.

Рис. 17. С.к.п. схемы без оптического усиления сигнала 8h¡=Ó.Ó25i, 8y¡=0.025j

1 0,5111 \

>2'i_

____ ^"f'kki

1

0.8 0.85 0.9 0.9 0.95 Рис. 18. Симметричный фокон. Оптимальные количество отражений пп, размер входного торца уу, линейное увеличение ¿г и длина 11 в функции коэффициента отражения кю в случае угла поля зрения, равного 2 а = 0,4 рад

Здесь 2Н и 2h -размеры фотоприемника светового пятна на нем, стш и Кд - с.к.о. шума коэффициент усиления усилителя фототока, F световой поток излучателя, Нэ - размер экран; L - дальность.

Минимум с.к.п. достигается на границ треугольной области определения 5у (1) в сл) чае ymax=h=0.5H (рис. 17). Были исследован!

оптические системы сферическими линзами фоконами (коническиг» симметричным и несим метричным пирамидаль ными с оптимальным чис лом отражений оптиче ского сигнала). Из ни лучше симметричный фс кон, характеристики коте poro с учетом оптималь

ного коэффициента отражения приведены на рис.18.

Оптическое усиление зависит от угла поля зрения датчика и в случае армей ского тренажера и симметричного пирамидального фокона с тремя отражениями со

ставило 39. U

эб

и.

-#

Г.

л-

Е, t

Для эквивалентной схемы сканистора (рис 19) можно записать Е^Ек+изв+иб^;

Ьб=ь(еаШЧНл, ]5к=-]5(еаиэб-1)-]0, (2)

где Ей=Е()Х(>/,| - потенциал эмиттера в точк опроса Хо; Ек=Ео1/Г - значение пилообразное напряжения в момент опроса 1о; Ц^ - напряже ние на переходе эмитгер-база; и6к - напряжени на переходе база-коллектор; Зэб^бк^ - поверх ностная плотность тока через фотодиоднуь ячейку; и ^ - приращения поверхностны: плотностей токов насыщения фотодиода эмиттер-база и база-коллектор при освеще-

t Ек

Рис. 19. Эквивалентная схема выделения видеосигнала со сканистора

!. ¡'спюпие системы (2) и интегрирование по чувствительной поверхности дает раженне для поверхностной плотности тока через элементарную ячейку j и сум-1|1ого гока через сканистор .1

) = ; ехр«(Ёэ-Ек)-1 + ехра(Еэ-Ек) _ _1_

схра(Е3-Ек) + 1 ехра(Еэ-Ек) + 1 ехра(Еэ-Ек) + 1

ь[

1

схра(Е3-Ек) 1 ехра(Е3-Ек) _

ь ехра(Еэ-Ек) + 1 ехра(Еэ-Ек) + 1 ехра(Еэ -Ек) +1

с!х.

деосигнал со сканистора образуется при дифференцировании полного тока

ехра(Еэ-Ек) 1

V = — = Ь(А5 + А^ - А^), с1г

1

к

Лп = /-

Я

ехра(Еэ -Ек)

ехра(Еэ -Ек)+1

О

¿1

ёх:

а5={-0

ЛГ2 = !-

О

ехра(Еэ -Ек)+1

ск

И

ехра(Еэ -Ек) + 1

(31

dx;

ах,

ширина сканистора.

В Г-образном сканисторе из-за конечной ширины чувствительной площадки ли-I равного потенциала делительного слоя наклоняются. В результате на горизон-ьном участке момент опроса пилообразным коллекторным напряжением опережает положение световой

* 1Ш

зоны, а на вертикальном -отстает. Записав выражение для потенциала в произвольной точке чувствиель-о о.1 02 оз о.4 о.5 об о.? 08 09 I ной площадки и проинтегрировав по всем ее точкам, мы уточнили уравнение видеосигнала. Экспериментальные и расчетные кривые видеосигнала приведе-

1

\1V !

1 1 ! ! ^

0 0102 0.3 04 0.5 06070809 I ЦЫ НЗ рНС

фоцсссс натурных испытаний оптико-электронных преобразователей проверены овные модели и возможность их идентификации в реальных условиях при нали-I помех, а также зафиксирована предполагаемая точность. В частности, для статарного преобразователя с четырьмя фотоприемниками (дробно-рациональные 1ели) получены среднеквадратичные погрешности 0.91 мм по верху и 0.84 мм по

боку н подтверждена гипотеза о нормальном распределении погрешностей (по критерию Пирсона получено х2у= 11.52, х^-ЧЛ! при х2Кр=Х2т-2,1-а=21.026, соответствующем уровню значимости а =0.05 и числу степеней свободы ш-3=12; т=15 -число интервалов разбиения).

Основные научные и практические результаты работы сформулированы в выводах по главам и заключении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основании анализа стрелковых тренажеров и экспериментальных исследований определены требования к датчикам координат стрелковых тренажеров по точности, размерам поля регистрации и быстродействию.

2. На основании существующих критериев точности для обоснования допустимой погрешности измерений координат в стрелковом тренажере выбраны известный критерий, основанный на ограничении вероятности противоположных решений (по реальным измерениям по сравнению с идеальными), и разработанный критерий, основанный на допустимом изменении вероятности попадания-промаха. Обоснованы законы распределения погрешностей и измеряемых величин (координат), найдены законы распределения композиции, определены области интегрирования и выполнено численное интегрирование по двумерной области, в результате которого установлена связь между относительной погрешностью измерении и величинами выбранных критериев.

3. Модернизирован известный ОЭП координат с линейками излучателей на экране тренажера и кодовой маской в фокальной плоскости объектива, предложены новые ОЭП (получено 4 заявки на патенты): с излучающими ИК-диодами на экране и четырехсекционным фотоприемником на оружии, с бегущими по экрану лазерными лучами и ОЭП с щелевыми диафрагмами на оружии, с лазерным излучателем на оружии и стационарным ОЭП с четырьмя фотоприемниками, с лазерным излучателем на оружии и ОЭП на основе мультискана в плоскости экрана за изображением мишени с концентрическими окружностями. Для ряда ОЭП разработаны полные и нулевые физические модели, а также инвариантные регрессионные модели. Методом математического моделирования исследованы алгоритмы идентификации моделей, выявлены работоспособные модели и даны соответствующие рекомендации по их применению.

4. Проведено макетирование и осуществлена экспериментальная проверка разработанных ОЭП и алгоритмов их идентификации. Использование результатов отражено в соответствующих актах (см. с. 5,6 автореферата).

5. Проведена оптимизация параметров моделей, в частности дискретных ОЭП нониусного типа и с двоичным однопереходным кодом, ОЭП координат с четырех-

ционнмм фотоприемником, ОЭП с четырьмя фотонриемниками и оптическим ■леиием сигнала. Произведена оценка допустимой погрешности квантования в кретных ОЭП и предложен алгоритм ее коррекции при цифровых измерениях. 6. Результаты исследований подтвердили правильность сформулированной и шененной концепции проектирования ОЭП: полная физическая модель - нулевая гель - исследование модели - поиск инвариантной модели - оптимизация пара-гров модели - натурный эксперимент.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Веркиенко А. Ю., Казаков В. С. Мишень стрелкового тренажера с бегущими лу-1И // Заявка на патент № 991170S8, кл. F4 !G 3/26, 1999. Пол. решение от 02.08.99. Веркиенко А. Ю., Казаков В. С., Кузьмин А. С. Оптико-электронная мишень 1елкового тренажера с четырехсекциоимым фотоприемником // Заявка на патент 99117071, кл. F41G 3/26, ¡999. Пол. решение от 02.02.2000. Всркисико А. 10., Казаков B.C., Пахарь В. К, Оптико-элекгроппан мишень )слкового тренажера // Заявка на патент № 99117070, кл. F41G 3/26, 1999. Пол. пение от 02.08.99. Пол. решение от 02.08.99.

Веркиенко А. 10., Осипов Н. И., Шолковников 10. К. Датчик координат стрелко-о тренажера // Заявка па патент № 99117072, кл. F41G 3/26, 1999. Пол. решение 14.02.2000.

Веркиенко А, Ю. Идентификация ошнко-злектронного датчика с мнотеекнпон-м фотоириемником // Сб. труден научно-молодежной школы по <1>1(11 теграиия". - Ижевск: Изд. ИПМ Ур() РАИ, 1997. - с. 70-73. Веркиенко А. 10. Точность измерении в тренажере // Сб. трудов научпо-лодежной школы по ФЦП "Интеграция". - Ижевск: Изд. ИПМ УрО РАН, 1997. -74-78.

Веркиенко А. 10., Кузьмин А. С. О требуемом быстродействии датчика коорди-г тренажера // Сб. трудов научно-молодежной школы по ФЦП "Интеграция". -<с»ск: Изд. ИПМ УрО РАН, 1997. - е. 84-86.

. Веркиенко А. 10. Выбор шага квантования в датчике координат дискретного ти// Доп. в ВИ1 ¡ИТИ, № 2253-В97. - 16 с.

. Веркиенко А. Ю. Методологические аспекты обоснования точности шмереиия эрдннат в оптико-электронном тренажере // Деп. в ВИНИТИ, № 269S-B97. - IК с.

0.Веркиеико А. 10., Сидоров Д. Р. Задача восстановления энергетического сигнага реакции на него линейной системы // Науч. и инф.. бюллетень Удм. МАИ, УдГУ, тевск: Изд. Персей, 1997. - с. 83-89.

1.Веркиенко А. Ю. Исследование критериев допустимой погрешности измерений :трелковых тренажерах //Деп. в ВИНИТИ, № 1513-В98, 1998. - 28 с.

12. Веркиенко А. Ю. Оценка допустимой погрешности квантования и ее коррекция при цифровых измерениях. Журнал "Измерительная техника", № 10,1998. - с. 5-9.

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

14. Веркиенко А. Ю. Оптимизация и сравнение параметров дискретных датчиков тренажера // Сб. трудов научно-молодежной школы по ФЦП "Интеграция". Ижевск, Изд. ИПМ УрО РАН, 1997. - с. 23-26.

15. Веркиенко А. Ю., Осипов Н. И., Шелковников Ю. К. Экспериментальные исследования характеристик мультискана // Сб. трудов научно-молодежной школы по ФЦП "Интеграция". - Ижевск, Изд. ИПМ УрО РАН, 1997. - с. 112-118.

16. Веркиенко А. Ю. Оптимизация параметров дискретных датчиков координат стрелкового тренажера // Деп. в ВИНИТИ, № 1056-В98. -14 с.

17. Веркиенко А. 10. Выбор параметров датчика координат на базе четырехсекци-онного фотодиода // Деп. в ВИНИТИ, № 2879-В99. - 23 с.

18. Веркиенко А. Ю. Пространственные модели оптико-электронных преобразователей координат и их идентификация. Часть 1. Модели // Деп. в ВИНИТИ, № 3531-В99. - 24 с.

19. Веркиенко А. Ю. Пространственные модели оптико-электронных преобразователей координат и их идентификация. Часть 2. Идентификация // Деп. в ВИНИТИ, № 3532-В99. - 40 с.

Соискатель

Подписано в печать (£.03.2000 г. Бумага офсетная. Формат 60x84/16. Объем I пл. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ИПМ УрО РАН 426001, г. Ижевск, ул. Горького 222 ПЛД№ 25-45 от 14.12.95 г.