автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Совершенствование моделей и программно-аппаратных средств для контроля изделий по внешнебаллистическим параметрам

УДК 681.518:623.593.3

На правах рукописи

АФАНАСЬЕВ Владимир Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ПО ВНЕШНЕБАЛЛИСТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

Специальности:

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике); 05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ижевск - 2013

005546550

Работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» в ФГБОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова»

Научный руководитель: - Лялин Вадим Евгеньевич,

доктор технических наук, профессор, ИжГТУ имени М.Т.Калашникова, декан факультета Информатики и вычислительной техники, заслуженный изобретатель РФ

Научный консультант: - Казаков Виктор Степанович,

кандидат технических наук, профессор, ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, кафедра «Вычислительная техника», заслуженный деятель науки Удмуртской Республики Официальные оппоненты: -Алексеев Владимир Александрович,

доктор технических наук, профессор, ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, кафедра «Физика и оптотехника», заслуженный деятель науки Удмуртской Республики

- Кондратьев Вячеслав Васильевич,

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет имени P.E. Алексеева«, кафедра вычислительных систем и технологий, заведующий кафедрой, заслуженный деятель науки РФ

Ведущая организация: Федеральное государственное предприятие «ЦНИИ Буревестник» (г. Н.Новгород)

Защита состоится "12" декабря 2013 г. в 12°° на заседании диссертационного совета Д.212.065.06 в ИжГТУ имени М.Т. Калашникова по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ имени М.Т.Калашникова.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан "ОУ" 2013 г.

Ученый секретарь //

диссертационного совета, /у ../

к.т.н., доцент Л-"'^ В Н. Сяктерев

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Производство и эксплуатация стрелкового оружия требуют оценки таких параметров стрельбы как начальная скорость пули V0, баллистический коэффициент с, скорость движения пули на дистанциях 10, 25, 50 м (Fiо, V25, Vso) и координаты точки попадания пули в мишеньуо, z0. В ИжГТУ имени М.Т. Калашникова разработана и успешно эксплуатируется в промышленности автоматизированная контрольно-измерительная система (КИС), построенная с использованием световых экранов (плоскостей) и позволяющая оценивать координаты точки попадания пули в мишень в автоматическом режиме.

Данная система определяет траекторию полета пули путем оценки координат точек пересечения пулей световых плоскостей, расположенных под различными углами к траектории полета пули. Координаты точек попадания пули в мишень рассчитывают с применением уравнений внешней баллистики. Знание координат точек попадания позволяет оценить меткость и кучность стрельбы, выполнить операции по приведению оружия к нормальному бою, оценить соответствие оружия требованиям стандартов на изготовление и эксплуатацию.

Сложность контрольно-измерительных систем и решаемых ими задач, необходимость высокой эффективности технологического процесса испытаний оружия с точки зрения его организации и техники безопасности испытаний, снижение погрешности измерений, уменьшение затрат, особенно при проведении массовых испытаний, требование совершенствования и развитая как стрелкового оружия, так и контрольно-измерительных систем, все это делает тему диссертационной работы актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам внешней баллистики на современном этапе в области вращательного движения и расчета траектории снаряда в воздухе посвящены работы Н.В. Майевского, H.A. Забуд-ского, Ф. Сиаччи, теоретическим основам внешней баллистики, решению прямой задачи внешней баллистики - работы Я.М. Шапиро, A.A. Коновалова, Ю.В. Николаева и др., вопросам построения КИС на световых экранах - работы Ю.В. Веркиенко, B.C. Казакова и др. Дальнейшее развитие КИС, повышение её функциональных возможностей и информативности испытаний требуют повышения точности измерения координат точек при попадании пули в мишень. Решение указанных задач определило выбор цели, задач, объекта и предмета исследований. •

Объектом исследования являются методы и приборы обработки информативных сигналов в системах испытаний стрелкового оружия.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы оценки параметров стрелкового оружия на измерительных комплексах с использованием световых экранов, структура измерительных комплексов, модели сигналов на входе оптических датчиков, закономерности формирования отклика на выходе датчиков световых экранов, методики обработки сигналов с оптических датчиков, математические модели трасс и световых мишеней.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методов и алгоритмов снижения погрешности при измерении координат точек попадания пули в мишень в автоматизированной контрольно-измерительной системе на основе световых экранов, что позволит расширить функциональные возможности системы и увеличить информативность каждой серии испытаний.

Для достижения поставленной цели решаются задачи:

- определение зависимости энергетической величины потока излучения от энергетической яркости и размеров площадки излучателя и чувствительности площадки приемника;

- разработка новых моделей с использованием уравнений внешней баллистики в качестве уравнений моделей мишеней и баллистических трасс;

- минимизация количества излучателей и оптико-электронных преобразователей с применением цифровых измерений и обработки, а также с выбором оптимального расположения, обеспечивающего высокую обусловленность уравнений;

■ - разработка моделей тени пули, энергетического сигнала на входе оптико-электронного преобразователя (датчика), усилителя фототока (фильтра), определения времени пересечения центром массы пули светового экрана с учетом траектории полета пули на дистанции, с учетом угла установки светового экрана, а также углов нутации и прецессии пули;

- разработка методики определения коэффициента пересчета для определения момента времени пересечения центром массы пули светового экрана по измерениям моментов времени входа пули в световой экран и выхода из него;

- исследование моделей и натурные испытания с определением коэффициента пересчета и уровней порога сигналов, по которым принимается решение о входе пули в световой экран и выходе из него.

Методология и методы исследований. В работе для теоретических исследований применялись методы системного анализа и теории информационно-измерительных систем, аналитической геометрии, погрешностей измерений. При разработке и идентификации моделей, баллистических трасс и мишеней использовались теория дифференциальных уравнений, теория чувствительности и обусловленности решения, регрессионный анализ и метод наименьших квадратов. Для исследования моделей и теоретических зависимостей использованы статистическое моделирование и результаты натурных испытаний. Исследование моделей и их идентификация осуществлялись с помощью математических пакетов Mathcad и Maple. При разработке макета контрольно-измерительной системы испытаний использовались методы теории управления технологическими процессами, теории автоматического управления, измерительной техники, схемотехники, теории цифровых вычислительных машин, цифровой обработки информации и программирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- показано, что на величину погрешности измерений момента времени пересечения центром массы пули светового экрана влияют: параметры осветителя и приемника светового экрана; методика определения момента времени пересечения экрана центром массы пули; угол встречи пули со световым экраном, зависящий от угла установки экрана, от угла, определяемого траекторией полета пули, от углов нутации и прецессии пули;

- определены оценки совместной весовой функции световой плоскости и оптикоэлектронной системы; построена весовая функция световых плоскостей; найдена зависимость весовых функций от размеров длины осветителя, ширины светового экрана, формы светового экрана, координат пролета пули через световой экран;

- показано, что для произвольного угла вхождения пули в световой экран и произвольной толщине светового экрана весовая функция становится нелинейной и не может быть представлена простыми математическими выражениями; показано, что оптикоэлектронная система, построенная с использованием операционных усилителей, приводит к нарушениям симметрии совместной весовой функции и, соответственно, к различию сдвига оценок времен входа и выхода пули из экрана относительно времени пересечения экрана центром массы пули; разработана методика определения действительной тени пули при различном угле входа пули в световой экран;

- обоснована структура имитационной модели и получено ее математическое описание с четырьмя и пятью световыми экранами, разработаны алгоритмы идентификации математических моделей, учитывающих действительное положение световых экранов, позволяющие провести эксперименты по определению траектории полета пули с заданной точностью измерений;

- показано на имитационной модели и экспериментально подтверждено на физической модели контрольно-измерительной системы то, что снизить погрешность измерений параметров выстрела можно путем использования коэффициента, выполняющего пересчет моментов входа и выхода пули из светового экрана в момент времени пересечения светового экрана центром массы пули по предложенной формуле; коэффициент пересчета имеет случайную природу и может быть оценен путем статистических испытаний на модели контрольно-измерительной системы и на действующей контрольно-измерительной системе.

Теоретическая и практическая значимость работы.

- Получены выражения, позволяющие определить момент времени пересечения светового экрана центром массы пули конечной длины по моментам времени входа и выхода пули из светового экрана.

- Построена весовая функция световых экранов; найдена зависимость весовых функций от размеров длины осветителя, ширины светового экрана, формы светового экрана, координат пролета пули через световой экран.

- Показано, что для произвольного угла вхождения пули в световой экран и произвольной толщине светового экрана весовая функция становится нелинейной и не может быть представлена простыми математическими выражениями.

- Найдена проекция тени реальной пули на световую плоскость для произвольного угла входа пули в световую плоскость.

- Определены требования к осветителю светового экрана. Показано, что ленточный осветитель обеспечивает хорошую линейность расположения светящейся нити осветителя и равномерность свечения. Серьезными недостатками ленточного осветителя является его громоздкость, большое потребление мощности и пожароопасность; модуляция светового потока в точках теплового контакта нити с подвесом. Предложен излучатель на лампах накаливания нового поколения, обеспечивающий равномерность светового потока по всей длине излучателя и снижение на порядок потребляемой мощности по сравнению с ленточными излучателями.

- Определены требования к фотоприемнику фотоэлектронного преобразователя. В качестве фотоприемника выбран фотодиод ФД-24К, как наиболее соответствующий требованиям фотоприемника светового экрана, работающего на отрицательный контраст. Показано, что совместная весовая функция световой и

оптоэлектронной систем несимметрична относительно момента пересечения светового экрана центром массы пули.

- Построена модель контрольно-измерительной системы с четырьмя и пятью световыми экранами, позволяющая провести эксперименты по оценке значения коэффициента пересчета к, который обеспечивает минимальное значение среднеквадратичного отклонения для оценки положения центра массы пули в момент пересечения светового экрана. Использование коэффициента пересчета к в действующем макете контрольно-измерительной системы снизило погрешность при оценке координат точек попадания пули в мишень примерно в 1,5 раза. Снижение погрешности определения моментов пересечения центром массы пули светового экрана обеспечивает снижение погрешности определения других внешнебаллистических параметров, таких как начальная скорость пули, скорость движения пули на дистанциях 10, 25, 50 м.

Практическая ценность результатов работы подтверждается актом внедрения в НИР по разработке КАИС-КБП предприятием НТЦ «Вычислительная техника» в 2008 году (акт внедрения имеется).

Положения, выносимые на защиту:

- методика нахождения весовой функции светового экрана для пули бесконечно малого диаметра и конечной длины, методика определения действительной тени пули на световой экран при произвольном угле наклона пули и экрана;

- модель тени пули и сигнала на входе светового экрана с учетом углов нутации и прецессии и наклона светового экрана;

- метод снижения погрешности оценки координат и алгоритм определения момента времени пересечения центром массы пули светового экрана по измерениям моментов времени входа пули в световой экран и выхода из него;

- определение минимально допустимого порога, достаточного для исключения помех, достижения максимальной эффективности использования времени при пересечении экрана центром массы пули при определении оптимального значения коэффициента пересчета, обеспечивающего снижение погрешности оценки координат точек при пересечении пулей светового экрана;

. - обоснование применения цифрового осциллографа для нормализации сигнала, а также для выбора порога оценки моментов входа и выхода пули из светового экрана;

- модель световой мишени контрольно-измерительной системы, позволяющая провести эксперименты по изучению влияния параметров контрольно-измерительной системы на определение точки пересечения центром массы пули светового экрана.

Степень достоверности работы определяется корректным применением математических методов, использованием фундаментальных положений физики, механики и схемотехники. Достоверность подтверждается совпадением результатов вычислений различными методами, результатов моделирования и вычислений с результатами натурных испытаний.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях: «Ученые ИжГТУ - производству» в 2006-2009 годах; на Всероссийской НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» в 2006 и 2008 годах; на 5-й Всероссийской НТК «Информационные системы и

модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (г. Тула, Тул-ГУ, 2006); на Всероссийской НТК «АСУИТ-2006» (г. Пермь, 2006); Всероссийской НТК «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2008, г. Новосибирск, НГТУ, 2008); на Международной НПИК «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2008 (2009)» (г. Одесса, УКР-НИИМФ, 2008, 2009), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, ПГУ, 2013).

Материалы работы обсуждались на НТС предприятий при выполнении НИР с организациями и предприятиями холдинга Ижмаш (г. Ижевск, 20072008 г), Вятско-Полянский машзавод (г. Вятские поляны, 2009 г) и в/ч 33491 (г. Санкт-Петербург, 2008 г).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ (из них 4 работы в изданиях из перечня ВАК, 3 патента РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, указателя литературы из 100 наименований и приложения. Работа содержит 158 страниц машинописного текста, включая 89 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертационной работы, формулировку цели и задач исследований, определяет объект, предмет и методы исследований, ' отмечает научную новизну работы, а также содержит основные положения, выносимые на защиту. Представлены сведения о внедрении результатов, апробации работы и публикациях.

В первой главе кратко рассмотрены параметры выстрела, контролируемые при испытаниях стрелкового оружия. Сделан обзор мишеней, используемых в контрольно-измерительных системах, предназначенных для измерения и контроля параметров стрелкового оружия. Йз мишеней различного типа проверку временем прошли и в настоящее время используются только акустические и световые (оптические).

Показано, что в условиях массового производства и испытаний стрелкового оружия предпочтительней использовать контрольно-измерительную систему (КИС) со световыми экранами.

На рис.1 представлена проекция цилиндрической пули бесконечно малого диаметра 1 на горизонтальную плоскость бесконечно тонкого светового экрана 2. Световой экран наклонен под углом а. Пуля подлетает к экрану и выходит из него под углом нутации у. Угол нутации это угол между вектором скорости и осью пули. Изменение угла нутации пули происходит вокруг центра ее массы. Время встречи центра массы пули с экраном t-tn — тхх/(хх + x2)=tv -г/,/(/, +/2), не зависит от углов а и у, где T = tK-t„, x^lrcosy-il-tgy-tgcx), / = 1,2., но для его определения надо измерять времена tH и tK.

на горизонтальную плоскость в момент пересечения центром масс светового экрана

Погрешность оценок tH и tK зависят от свойств КИС. В предьщущих системах для оценки координат не учитывался угол встречи пули с экраном, угол установки экрана, угол определяемый траекторией полета пули, углы нутации и прецессии. Показано, что для снижения погрешности оценок параметров выстрела необходимо снижать погрешность измерений момента времени, в который центр массы пули пересекает световой экран. Показано, что взаимодействие факторов, определяющих погрешность оценки момента времени пересечения центром массы пули экрана, имеет сложный характер, и исследование этого взаимодействия является одной из задач диссертационной работы.

Вторая глава посвящена оптико-электронным преобразователям (ОЭП) световых экранов. Обобщенная схема ОЭП включает источник излучения с источником помех, среду распространения сигнала, оптическую систему, приемник излучения и выходной блок. При этом следует различать активный и пассивный способы работы и работу на положительный или отрицательный контраст. Существенен способ создания светового барьера, который характеризуется ступенчатой пространственной характеристикой изменения энергетического потока. Используя две ступенчатые характеристики, можно образовать световую плоскость (световой экран малой ширины). При этом возможны следующие основные схемы построения световой плоскости (экрана): с помощью двух щелевых диафрагм; с помощью одной щелевой диафрагмы и объектива; с помощью щелевых диафрагм излучателя и приемника.

В случае работы ОЭП на отрицательный контраст при пролете пули через световой экран происходит затенение части светового потока, поступающего на фотоприемник от излучателя.

В работе представлена запатентованная схема оптико-электронного прибора образующего световой экран с щелевым излучателем и щелевым приемником (рис. 2а), для которой введены следующие обозначения: XYZ - система координат щелевой диафрагмы приемника (Д,), X2Y2Z2- система координат щелевой диафрагмы излучателя (Д2) причем ось ОХ параллельна директрисе стрельбы; x,y,z- координаты элементарного экрана в системе XYZ; размеры щелевых диафрагм приемника 2а, х 2ЬХ и излучателя 2а2 х 2Ь2; а,/3 - углы наклона прямой N)NN2, связывающей элементарные площадки приемника dSx, излучателя dS2 и изделия dS; <р - угол между прямой Л',Л'ЛГ2 и осью Z. Выполняется соотношение Ь2»Ьг, щ,а2«Ъ2, L»b2; ср « р.

При этих допущениях поток от элемента dS2 на dSu равен с/Ф = Ф0 cos4 <р, Ф0 = B,dSxdSjL2; cos2 <р * cos2 /3 = z2/(y2 + z2).

В проекции светового экрана на плоскость YOZ (рис. 26) зона регистрации полета изделия располагается в зоне больших значений z и можно считать, что величина экранируемой энергии в этой области изменяется скачком.

В проекции светового экрана на плоскость XOZ (рис. 2в, 2г), прямые а,,а2; - а,,а2; а,,-а2; и -а,,-а2 делят световой экран на области 1, 2, 3', 3". Весовая функция блокирующей плоскости в случае, если элементарная блокирующая свет площадка находится в области 1, будет иметь вид:

1С,

где

хн<х<хвн,

IV лгв < X < гв Х?<Х<Хх,

0,х<хн,х>хк,

Лг "2 N2 7,

<ь _¿5

-----N -а2

2

г £

х"=(я2а,,

хк =(а2-а1)г/Ь + а1, В3- энергетическая яркость площадки излучателя.

Показано, что вид энергетического сигнала, поступающего на вход оптикоэлекгронного преобразователя, определяется сверткой весовой функции блокирующей световой плоскости и тени пули. Для тонкой пули, когда её диаметром можно пренебречь, вид энергетического сигнала на входе приемника зависит от максимальной энергии, блокируемой изделием при пересечении блокирующей световой плоскости; от толщины этой плоскости; от закона изменения толщины плоскости как функции расстояния до излучателя (приемника); от угла пересечения изделием этой плоскости.

Рассмотрена методика выбора основных геометрических параметров светового экрана. Для повышения точности оценки момента входа изделия в блокирующую плоскость и выхода из нее необходимо повышать крутизну переднего и заднего фронта сигнала. Крутизна фронтов сигнала зависит от яркости излучателя, размеров излучателя и приемника и расстояния от излучателя до приемника. Для повышения крутизны необходимо увеличивать ширину диафрагмы излучателя а2, длину фотоприемника 6, и приближать излучатель к приемнику, уменьшая размер Ь.

На рис.3 представлено поле регистрации, которое определяет область, через которую допускается пролет изделия с целью контроля координат пролета.

Рис.2. Схема оптической системы а -пространственная схема; б - проекция на плоскость ; в, г - проекция на плоскость ХОХ

Поле регистрации

Рис. 3 Поле регистрации в световой плоскости

Д - датчик, И - излучатель, £ - расстояние от датчика до излучателя, - оси координат

Область регистрации должна иметь размеры по вертикали (вдоль оси ОУ) и по горизонтали (вдоль оси ог) достаточные для испытания изделий на соответствие техническим условиям, условиям по технике безопасности и исходя из минимизации времени прихода сигнала на фотоприемник.

В реальных условиях пуля

- . х4 *5Х6

Рис. 4. Определение тени на плоскость XY

представляет собой тело вращения с конической головкой и практически цилиндрической донной частью. Тупую пулю можно принять за цилиндр. Усилитель-фильтр фототока ОЭП имеет ограниченную полосу пропускания, функцию веса с затянутым (теоретически до оо) задним фронтом. Моменты времени входа и выхода пули из экрана фиксируются как моменты времени достижения сигналом порогового уровня на переднем и заднем фронтах сигнала на выходе усилителя.

Для моделирования энергетического сигнала на входе фотоприемника датчика ОЭП от пролета пули через световой экран найдена тень острой пули вдоль оси X . Рис. 4 иллюстрирует определение тени острой пули, наклоненной к плоскости XY под углом цг так, что a¡ = a cosí//; b¡ = Acos^/; c¡ = с cosí//-

f.=Rsini¡/, где а,Ь, с, R- геометрические параметры пули. На нижнем графике представлена зависимость ширины тени вдоль оси У (9- угол наклона оси пули относительно плоскости XZ). Границы тени в данной части на верхнем графике в осях пули представляют собой эллипс с полуосями R и /Jsin^. Из геометрических соображений получены границы участков тени

х, =-а, cos,9;x2 = -(с, + %5|)cos5; = -(с, -Л^)cos,9; х4 = (6, - R'\tg9\)cos9; х5 = (6, + %,9|)cos,9;

= № + Rtg29¡y¡tg29 + tgV )cos 9 + R sin2 yj eos 9¡ *jtg23 + sin V; Уравнение для ширины тени имеет вид:

2к(х-х1), к(х2-2х]+х), 2R¡cos9, y1(x,9) + R/ cos у,(х,9)-у2(х,9),

x¡ <x<x2; x2<x< x3; x,<x< x.

x4<x<x5;

где k = 2R¡((x3 +x2- 2xx )cos 9);

xs<x<x6,

yK2(x,S) = ± J(xtgS)2 -(tg2,9- sin2 V){x2 - R2 sin2 V)+ sin2 (/),

где x* - значение смещения вдоль координаты тени пули д:т относительно т. А, для которой определяем у, 2.

Углы наклона i9 и цг определяются по углам нутации S и прецессии v (рис. 5) tgS = tgS¡yjl + tg2v; tgw = tgvtgSjy]l + tg2v.

Энергетический сигнал, который поступает на фотоприемник, представляет собой изменение светового потока при пролете пули через световой экран во времени. Форма энергетического сигнала зависит от формы пули, ее положения в пространстве, а также от наклона экрана и его функции веса.

В световой мишени для определения координат точки попадания установлены параллельные плоскости мишени экраны (П0,П3), а также функциональные -для координаты у (Г12) и координаты г (П,) (рис. 6).

На рис. 6 излучатели И, -И3 расположены в вертикальной плоскости XY, а датчики Д0 — Д3- по другую сторону от снопа траектории. Экран Щ повернут относительно оси Y на угол /3, а П2 - относительно горизонтальной оси Z на угол а.

Возможно расположение излучателей в горизонтальной плоскости (на полу тира), а датчиков на потолке. В этом случае датчики Д, и Д2 по условиям работы меняются местами. Поэтому достаточно ограничиться случаем рис. 6.

В случае П0,П3 рассмотрим тень пули на плоскость XY. При перемещении пули вдоль оси X со скорость V (соответственно x = Vt) формируется энергетический сигнал как свертка функций

х х

yr (í, у, z) = \y(u)w(x -и, у, z)du = jy* - u)w(u, у, z)du, о о

тень пули, ™(м) - функция веса экрана.

В случае экрана П2 (рис. 7), когда движение тени вдоль оси F¡ не превышает величины энергетического сигнала, составляющую скорости К sin а можно не учитывать. И следует рассматривать движение те-

Рис. 5. Положение пули в пространстве

Рис. 6. Расположение световых экранов П0 - П, в тире

°as а

а) ~ ' б)

Рис. 7. Разложение скорости V:

а) в случае экрана П2, б) в случае П]

ни пули перпендикулярно экрану П2 со скоростью К eos а.

В случае экрана П, нужно найти тень

пули на горизонтальную плоскость XZ и определить ширину тени вдоль оси Z,, совпадающей с излучателем И,. Аналогично далее следует рассматривать движении тени перпендикулярно экрану со скоростью VeosР.

Для определения тени в координатах Хх7л или нужно в каждом случае найти углы положения пули ц/', Q*, эквивалентные углам наклона пули ц/ и 9 в системе координат тира. Используя матрицы вращения относительно оси Y на угол р (в случае П,) и относительно оси Z на угол а (в случае П2) получим: экран П,: tgff =tg&/(cos р-s\n ptgy/)-, tgv' = (sin P + cos ptgy/)/(cos P - sin ptgif/); экран П2: tg&" = (-since + eos atgS)/(eos a-sin atgS)-, tgy/* = tg ц//(eos a-sin atgS).

В случае экрана П, следует учесть расстояние между излучателем и датчиком z/cosР и величину потока Ф' = Фсоэ2 /?.

Приведена методика расчета ОЭП. Наилучшим следует считать ОЭП, обеспечивающий минимальную ошибку измерения времени прихода видеосигнала на фотоприемник. Были определены параметры фотоумножителей, электровакуумных элементов и фотодиодов. С учетом лучших эксплуатационных характеристик, возможности работы при больших фоновых засветках, а также с учетом того, что фотодиоды не требуют, как фотоумножители, высоковольтных источников питания, то в качестве фотоприемников ОЭП были выбраны фотодиоды, а из них - фотодиод ФД-24К, имеющий наибольшую чувствительную площадку.

Сигнал на входе ОЭП существенно зависит от координат пересечения изделием блокирующей плоскости, от угла между изделием и блокирующей плоскостью. Кроме того, пуля представляет собой не тонкий стержень, а тело вращения приблизительно с конической головной частью (окончательная форма) и цилиндрической донной частью.

В общем случае усилитель-фильтр фототока оптического датчика имеет ограниченную полосу пропускания снизу для подавления низкочастотных помех из-за изменений фона и пульсаций источника тока излучателей. Для подавления высокочастотных шумов измерительного тракта полоса усилителя должна быть ограничена СЕерху.

Сигнал на выходе усилителя-фильтра ОЭП образуется двойной сверткой: тени пули с весовой функцией блокирующей плоскости и, затем, энергетического сигнала с функцией веса усилителя-фильтра. Из-за возможной асимметрии весовой функции блокирующей плоскости и несимметричной тени пули энергетический сигнал также несимметричен. Усилитель-фильтр фототока, выполняющий одновременно операцию фильтрации, может быть выполнен с применением операционного усилителя. Являясь схемой с обратной связью, операционный усилитель имеет каузальную функцию веса, несимметричную во времени с затянутым следом, теоретически стремящимся к бесконечности. В условиях большой и случайной изменчивости сигнала оптимальная фильтрация может быть выполнена только приближенно.

,кв|ж<»! 40дБ6

.20дБ(прк

о\ . а*. Рис. 8. ЛАЧХ усилителя-фильтра

Для предотвращения срабатываний измерителя, выражаемых наличием случайных помех высокочастотного шума, в схему ОЭП введены пороговые устройства. Моменты входа гп и выхода изделия из светового потока определяются по моментам достижения сигналом порогового уровня V . Выбор £/пор зависит от амплитуды сигнала, от весовых функций блокирующей плоскости и усилителя. Разработанная в соответствии с указанными рекомендациями схема усилителя-фильтра оптического датчика обладает частотной характеристикой представленной на рис. 8.

В главе 3 при разработке математической модели для запатентованной световой мишени и решении задач внешней баллистики были использованы две системы дифференциальных уравнений, которые описывают движение материальной точки в атмосфере в плоскости стрельбы. Одна из них записана,относительно дальности полета пули - независимого аргумента л- (дальность), другая -относительно времени полета пули?.

Положение экрана в системе координат ХП (рис. 9а) зададим уравнением в следах и будем считать, что экран не имеет толщины (представляет собой плоскость): х = г + ау + где а = tg(a*); Ь = ^(/3*); г - расстояние от начала координат до точки пересечения плоскости Р(а,Ь,г) с осью ОХ. Уравнение линии пересечения экрана, с плоскостью У ОХ имеет вид: х = г + ау, а с плоскостью стрельбы У'ОХ" (рис. 96): х* = г*+ау, где а = а/(со$ у/ + Ь бш;//); г' = г/(со$цг + Ьъту/}; a = tga*; 6 = -;,§■(/?*); а" =аг^(а).

Траектория

Плоскость стрельбы Световой экран /

X

У У

Световой экран Траектория

\

У

г \ х'

а) пространственная схема

б) вид сбоку

Рис. 9. Пересечение светового экрана траекторией центра массы пули в плоскости стрельбы

У0- начальная скорость, 0а - угол бросания, - угол курса; г - абсцисса точки пересечения

экрана с осью ОХ; г * - абсцисса пересечения экрана с осью ОХ', а - угол следа экрана в плоскости ХОХ; у - вертикальная координата в точке пересечения траекторией экрана; а" - угол поворота экрана относительно ОУ р'- угол следа экрана в плоскости ХОУ; Р-точка пересечения траектории с экраном.

Дальность полета пули, угол бросания, координаты точки встречи траектории со световым экраном определяется из совместного решения уравнений экрана и уравнений для движения материальной точки в атмосфере. Время пересечения пулей экрана определяется из решения компоненты уравнений, которые описывают движение материальной точки в атмосфере в плоскости стрельбы относительно аргумента г.

Для получения полного набора статистических данных, был использован план характерных точек, под которыми понимаем точки, расположенные в плоскости регистрации и в которые при расчете траектории (моделировании) попадает пуля.

При статистическом моделировании учета влияния углов нутации и прецессии была использована запатентованная схема четырехэкранной световой мишени. Размещение экранов принято таким же, как в реальном огневом коридоре, т.е. первый экран расположен на отметке Ц = 94 м, второй - Ь2 =96м, третий -¿з = 98 м, четвертый -14 = 100 м, плоскость регистрации - на отметке 100м.

Был разработан алгоритм моделирования (рис.10), который включает в себя вычисления времени пересечения центром массы пули 1С светового экрана по времени входа пули в экран 1п и выхода из него ^ при заданном значении коэффициента пересчета к по формуле: =к-1к +(1 -£У„; расчеты соответствующие конкретной характерной точке, при этом каждая траектория рассчитывалась с новыми значениями углов нутации и прецессии.

Угол нутации задавался из выборки, которая подчиняется нормальному закону распределения с заданным математическим ожиданием и дисперсией, а угол прецессии - равномерному в диапазоне от 0'до 360°.

Учитывая, что в соответствии с тем, что пуля во время своего движения совершает колебания вокруг своего центра массы, времена входа и выхода пули из экрана для каждой траектории определялись в три этапа.

На первом этапе (рис. 10а, блок 2) выполнялся расчет траектории пули - определялось время пересечения экранов траекторией пули, которое отсчитывалось от момента вылета пули из ствола оружия путем решения системы дифференциальных уравнений. На втором этапе был определен сигнал на выходе оптического датчика ОЭП (рис. 12), который образован двойной сверткой: тени пули (рис.11) с весовой функцией светового экрана и, затем, энергетического сигнала с функцией веса усилителя-фильтра датчика. Далее по результатам обработки сигнала с датчика определялись времена входа /„ и выхода 1к пули из экрана от начала сигнала при заданных углах нутации 8 и прецессии V. Эти времена определялись по уровню порога и сигнала (рис. 10а, блок 3). Учитывая, что амплитуда сигналов с

ОЭП колеблется и зависит от точки попадания и экрана (прямой или наклонный), то для обеспечения одинаковых условий при обработке сигналов уровень порога задавался в долях от амплитуды сигнала. Т.е. ир = 0.5 означает, что уровень порога равен 50% от амплитуды сигнала, по которому определяются времена входа и выхода пули из экрана. На третьем этапе время, вычисленное на первом этапе (отсчитанное от точки вылета из ствола) корректировалось, чтобы соответствовать

времени пересечения экрана центром массы Тс, определенному по временам входа Тп и выхода Тк пули из экрана в результате обработки сигнала с датчика (отсчитанное от сигнала на выходе ОЭП) (рис. 10а, блок 4).

После выполнения расчетов по всем точкам и определения времен пересечения пулей экранов, выполнялась идентификация модели, вычислялись координаты точек попадания, погрешности определения координат, СКО погрешностей по координатам г п У (рис. 106). Была определена зависимость этих СКО от коэффициентов пересчета, а также их оптимальные значения по минимуму СКО для координаты г и У.

Результаты вычислений показывают, что при определении времени пересечения светового экрана центром массы пули существует оптимальное значение коэффициента к, при котором СКО погрешностей измерения координат минимальное.

а) часть I б) часть 2

Рис. 10. Блок-схема программы статистического моделирования

'-5! 3.75 хЮ"5 гг2

,м

У,1—,

у?

V

Ла М

Рис. 11. Модель тени пули при пролете через световой экран (1-я свертка)

гг\ - тень пули, с углами в = 0. у = 0; гг2 - тень пули, с углами в = 0.5 = 0; ггЗ - тень пули, с углами 0 = 0,(,'/- 0.5; гг4 - тень пули, с углами 6 = 0.5,у/ = 0.5

Рис. 12 Модель сигнала с датчика ОЭП (2-ясвертка)

Сигнал образован двойной сверткой: тени пули с весовой функцией светового экрана и, затем, энергетического сигнала с функцией веса усилителя-фильтра датчика ОЭП.

На рис. 13 показаны графики зависимости СКО ошибок по координатам г и у от значения коэффициента к при заданном пороге IIр. На рис. 13 а) -

ир =0,1, на рис. 13 б) - ир =0,2. Анализ рис. 13 показывает, что с увеличением I/р оптимальное к уменьшается. Это объясняется асимметричностью сигнала с ОЭП. С увеличением 11 коэффициент к уменьшается, т.е. значение взвешенного времени приближается к - моменту времени входа пули в экран.

О 01 02 (Б 0.4 05 0.6 0.7 0.8 03 1 к

0.1 02 03 04 05 06 07 08 09 1 б) £/„=0,2

а) £/,=0,1

Рис., 13 - Графики СКО погрешностей определения координат СКО г, СКО у - СКО погрешностей координат г и у (в метрах); к - коэффициент пересчета

Из рис.13 следует, что применение коэффициента пересчета позволило снизить СКО погрешности определения координат более чем в два раза при стрельбе сферическими пулями из пневматического оружия. Эксперименты показывают, что при стрельбе из пневматического оружия пулями типа «альфа» и «гамо» повышение точности оценки координат составило примерно 30-50 %.

В главе 4 описан макет контрольно-измерительной системы (КИС) (рис. 14) для выполнения экспериментальных исследований. При создании КИС была использована схема расположения экранов, обеспечивающая инвариантность световой мишени к углу входа траектории пули в блокируемое пространство. Координаты размещения датчиков и излучателей, их расположение относительно друг друга пропорционально уменьшены по сравнению с реальной КИС. С целью сокращения количества датчиков и линий связи были использованы датчики, которые «видят» три излучателя (линейного источника световой энергии). После выполнения выстрела пуля пересекала последовательно

Y Плоскость регистрации

T^tr-

Траектория движения пули

37Г

Пневматическое

БДИ Питание + 158

все световые экраны и пробивала бумажную мишень (плоскость регистрации) в области точки прицеливания. Сигналы с датчиков поступали в виртуальный цифровой осциллограф (ВЦО) и записывались в файл на жесткий диск ПЭВМ. Для определения моментов времени входа и выхода пули из каждого светового экрана световой мишени использовалась специальная программа, которая считывала данные из файлов после выполнения всех выстрелов.

В качестве пневматического стрелкового оружия (СО) использовалось изделие МР-60. Калибр — 4,5мм, дульная скорость < 160 м/сек.

В исследовании применялись различные пули. В некоторых экспериментах для ухудшения стабильности полета пули (с целью получения больших углов мутации) искусственно смещался центр ее массы путем высверливания со стороны донышка на небольшом расстоянии от его центра глухого отверстия малого диаметра.

Стрелковая скамейка представляет собой стол с приспособлением для установки СО при стрельбе с упора. Для обработки информации с ВЦО использовалась ПЭВМ стандартной конфигурации. Схема блока датчиков и излучателей (БДИ) показана на рис. 15.

Основным узлом световой мишени является световой экран, который состоит из оптико-электронного преобразователя - датчика и излучателя с источником стабилизированного питания к нему.

Для получения пробоин с ровными краями бумажная мишень прокаливалась в термопечи при температуре 120° - 150° С для придания ей хрупкости. Затем мишень закреплялась на контрольной рамке и на мишени делались отметки расположения координатных осей.

Бумажная мишень снималась с контрольной рамки с отметками пробоин от выстрелов. Затем на бумажной мишени проводились линии координатных осей и относительно этих осей определялись координаты каждой пробоины. После обмера всех пробоин координаты записывались в файл измеренных координат. Дальнейшая обработка данных выполнялась по программам в среде Mathcad.

Программное обеспечение макета состоит из двух частей. Первая часть -

Рис. 14. Структурная схема КИС

БДИ - блок датчиков, излучателей и место для крепления бумажной мишени (контрольная рамка); ВЦО - виртуальный цифровой осциллограф; СК - стрелковая скамейка; Пневматическое СО - пневматическое стрелковое оружие; ПЭВМ -системный блок персональной вычислительной машины; Р(х0,у0,г0) - точка попадания в плоскости регистрации.

Плоскость регистрации у Мишень

Рис. ¡5. Структурная схема БДИ

О0, О, - оптические датчики; /, линейные излучатели света; Э0,...,Э, световые экраны;

это программное обеспечение сбора данных, написанное на языке Delphi, которое обеспечивает решение следующих задач: обеспечение обмена информацией с ПО осциллографа: считывание из памяти ВЦО информации, полученной с датчиков, и запись ее в память ПЭВМ; обработка, считанной из ВЦО информации (фильтрация, нормирование сигнала и определение значений времен входа и выхода пули из светового экрана на уровне установленного напряжения порога). Вторая часть - программное обеспечение обработки данных и исследования эффективности использования взвешенных времен, которое включает: формирование матрицы данных (измерение координат пробоин, расположение измеренных координат пробоин и значений моментов времени в матрице наблюдений); последовательность обработки (алгоритм) и используемые при этом программы.

Проведены экспериментальные исследования использования взвешенных времен для различных типов пуль. Было проведено 16 экспериментов (серий выстрелов). Каждая серия выполнялась пулями одного типа.

После обработки сигналов по каждому выстрелу в серии и определения времен tn и tk для каждого светового экрана, выполнялись измерения координат точек попадания по бумажной мишени. Координаты и времена представлялись в виде матрицы в Excel и записывались в файл. Результаты некоторых расчетов приведены в таблице 1.

Таблица L СКО погрешностей координат точек попадания пули в мишень

Л'5 серии Целевая функция Уровень порога

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

1 0,637 0,625 0,571 0,682 0,692 0,569 0,677 0,674 0,515

0,678 0,687 0,476 0,467 0,484 0,269 0,442 0,568 0,321

2 0,677 0,625 0,511 0,475 0,175 0,166 0,258 0,312 0,323

0,533 0,535 0,54 0,495 0,484 0,437 0,555 0,558 0,592

7 ■ 0,5 0,477 0,368 0,281 0,293 0,276 0,282 -

- 0,429 0,39 0,398 0,303 0,332 0,392 0,372 -

8 - 0,582 0,611 0,544 0,446 0,492 0,47 0,467 0,601

- 0,623 0,652 0,672 0.661 0,623 0,56 0,487 0,539

9 - 0,601 0,583 0,547 0,617 0,623 0,589 0,658 0,762

- 0,514 0,366 0,378 0,374 0,431 0,424 0,509 0,621

<тд,, <xfe - СКО погрешностей оценки координат у и z

Их анализ показывает - чем ниже порог, тем выше эффективность. Однако низкий порог снижает защищенность КИС от помех (таблица 1, серии 7 - 9). Высокое значение порога увеличивает погрешность (таблица 1, серия 7;). При выборе порога необходимо ориентироваться на оптимальное значение кор, по

минимуму СКО погрешностей оценки координат и обеспечение помехозащищенности системы.

На рис. 16 показаны зависимости СКО погрешности оценки координаты г (рис. 16а) и координаты у (рис. 166) от коэффициента пересчета к при заданном уровне порога р.

rrdzl a_dz2 crdz3 <rdz4 crdzS crdzó o'dzl a_dz8 0.88 cr_dz9 0.74 0.6

2 1.86 1.72 1.58, 1.44 1.3 1.16 1.02

СКО (к

\ - I -

Ч

\ Ч

ь \

л V4 N S ч

ч /Л

чГ -

!

СКО dy

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 к

О 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7,0.8 0.9 1 к

а)

б)

Рис. 16. Зависимость погрешностей от к и от порога

а _dz\,(т _dy\ - СКО погрешностей оценки координат при р = 0,1,

<т_ск2,сг _ф2 - СКО погрешностей при р ~ 0,2 и т.д.; к - коэффициент пересчета

На рис. 17 показаны зависимости СКО погрешности оценки координаты г (рис. 17а) и координаты у (рис. 176) при оптимальном значении коэффициента пересчета кор, от порога р. Оптимальное значение порога р необходимо выбирать из диапазона от 0,3 до 0,8 (рис. 17) в зависимости от типа пули.

Пф по ф

СЮ dz, dy при к = ка

ozop_z ayopz

Ю dz, dy при к = knrt по с , ММ ' v

■ )

"

_L

!

N у ■

I 1

.....К:

0.1 0.2 0.3 0.4' 0.5 0.6 0.7 0.8 0 9 Р

б)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Р а)

Рис. 17. Зависимости СКО погрешностей координат при к ~кор1 от порога <я_ор_у - СКО погрешности ск при к = кор1 найденная по ф, ау _ор_у- СКО погрешности ф- найденная по йу, сп_ор_2 - СКО погрешности <к найденная по сЬ., ау_ор_г, -СКО погрешности с1у найденная по ск

Эксперименты показали, что использование к , при заданном уровне порога позволяет увеличить точность определения координат в 1,5 - 2 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований предложены научно-обоснованные технические решения по совершенствованию световых мишеней контрольно-измерительных систем для испытаний стрелкового оружия за счет оптимизации параметров и совершенствования алгоритмов обработки результатов измерений. Основные результаты заключаются в следующем.

1. Показано на имитационной модели и экспериментально подтверждено на физической модели контрольно-измерительной системы то, что снизить погрешность измерений параметров выстрела можно путем использования коэффициента пересчета, выполняющего пересчет моментов времени входа и выхода пули из светового экрана в момент времени пересечения светового экрана центром массы пули; коэффициент пересчета имеет случайную природу и может быть оценен путем статистических испытаний на модели контрольно-измерительной системы и на действующей контрольно-измерительной системе. Использование коэффициента пересчета к в действующей контрольно-измерительной системе снизило погрешность при оценке координат точек попадания пули в мишень примерно в 1.5 - 2 раза. Снижение погрешности определения моментов пересечения центром массы пули светового экрана обеспечило снижение погрешности определения ряда внешнебаллистических параметров, таких как начальная скорость пули, скорость движения пули на дистанциях 10,25,50 м.

2. Показано, что на величину погрешности измерений момента времени пересечения центром массы пули светового экрана влияют: параметры осветителя и приемника светового экрана; методика определения момента времени пересечения экрана центром массы пули; угол встречи пули со световым экраном, зависящий от угла установки экрана, от угла, определяемого траекторией полета пули, от углов нутации и прецессии пули;

3. Сделаны оценки совместной весовой функции световой плоскости и оптико-электронной системы; разработана методика определения действительной тени пули при различном угле входа пули в световой экран; показано, что оптико-электронная система, построенная с использованием операционных усилителей, приводит к нарушениям симметрии совместной весовой функции и, соответственно, к различию сдвига оценок времен входа и выхода пули из экрана относительно времени пересечения экрана центром массы пули;

4. Обоснована структура имитационной модели и получено математическое описание имитационной модели контрольно-измерительной системы с четырьмя и пятью световыми экранами, разработаны алгоритмы идентификации математических моделей учитывающих действительное положение световых экранов, позволяющие провести эксперименты по определению траектории полета пули с заданной точностью измерений;

5. Показано, что ленточный осветитель светового экрана обеспечивает хорошую линейность расположения светящейся нити осветителя и равномерность свечения. Серьезными недостатками ленточного осветителя является его громоздкость, большое потребление мощности и пожароопасность; модуляция светового потока в точках теплового контакта нити с подвесом. Предложен излучатель на лампах накаливания нового поколения, обеспечивающий равномерность светового потока по всей длине излучателя и снижение на порядок потребляемой мощности по сравнению с ленточными излучателями;

6. Получены выражения, позволяющие определить момент времени пересечения светового экрана центром массы пули конечной длины по моментам времени входа и выхода пули из светового экрана; построена весовая функция световых экранов; найдена зависимость весовых функций от размеров длины осветителя, ширины светового экрана, формы светового экрана, координат пролета пули через световой экран; показано, что для произвольного угла вхо-

ждения пули в световой экран и произвольной толщине светового экрана весовая функция становится нелинейной и не может быть представлена простыми математическими выражениями; найдена проекция тени реальной пули на световой экран для произвольного угла входа пули в световой экран;

7. Определены требования к фотоприемнику фотоэлектронного преобразователя. В качестве фотоприемника выбран фотодиод ФД-24К, как наиболее соответствующий требованиям фотоприемника светового экрана, работающего на отрицательный контраст. Показано, что совместная весовая функция световой и оптоэлектронной систем несимметрична относительно момента времени пересечения светового экрана центром массы пули;

8. Построена физическая модель контрольно-измерительной системы с четырьмя и пятью световыми экранами, позволяющая провести эксперименты по оценке значения коэффициента пересчета к, который обеспечивает минимальное значение среднеквадратичного отклонения для оценки положения центра массы пули в момент пересечения светового экрана.

Выводы 1, 3, 4, 8 относятся к специальности 05.13.01- Системный анализ, управление и обработка информации (технические науки), выводы 2, 5, 6, 7 -к специальности 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

НАУЧНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Афанасьев В.А., Коротаев В.Н. Источники излучения для световых экранов // Вестник ИжГТУ, 2007. - № 3 (35). - С. 51-54.

2. Афанасьев В.А. Источники питания и излучатели световых экранов в системах испытаний для определения внешнебаллистических параметров // Вестник ИжГТУ, 2009. - № 4 (44).- С. 138-139.

3. Афанасьев В.А., Коробейников В.В. Исследование возможностей уменьшения погрешности световой мишени из-за нутации и прецессии тела // Интеллектуальные системы в промышленности и производстве. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. - № 2(16) - С. 103-109.

4. Афанасьев В.А., Казаков B.C., Коробейников В.В. Экспериментальное исследование эффективности использования взвешенных моментов времени в световой мишени // Интеллектуальные системы в промышленности и производстве. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010 - № 2(16) - С. 99-103.

5. Пат. 2386100 РФ МПК F41 J 5/00. Оптико-электронное блокирующее устройство для регистрации момента пересечения пулей светового экрана мишени / Афанасьев В.А., Веркиенко Ю.В.; заявитель и патентообладатель Институт механики УрО РАН. - № 2008127417/02; заявл. 04.07.08; опубл. 10.04.10. Бюл. № 10.

6. Пат. 2378605 РФ МПК F41 J 5/02. Световая мишень / Афанасьев В.А., Веркиенко Ю.В.; заявитель и патентообладатель Институт прикладной механики УРО РАН. - № 2008129854/02; заявл. 18.07.08; опубл. 10.01.10. Бюл. № 1.

7. Пат. 2388991 РФ МПК F41 J 5/02. Устройство определения внешне-баллистических параметров в совмещенной с баллистической трассой инвариантной световой мишени / Афанасьев В.А., Веркиенко Ю.В.; заяви-

тель и патентообладатель Институт прикладной механики УРО РАН. - № 2008131125; заявл. 28.07.08; опубл. 10.05.10. Бюл. №13.

8. Афанасьев В. А., Коротаев В. Н. Энергетические параметры излучателя с телом накаливания // Информационные системы в промышленности и образовании. Сб. стат. мол. уч. Вып.2. Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2007. С.30-35.

9. Афанасьев В.А. Совершенствование системы испытаний для определения внешнебаллистических параметров // Информационные системы в промышленности и образовании. Сб. научн. Тр. Мол. Уч. Вып.4 - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2009. - С. 39-43.

10. Афанасьев В.А. Назначение допустимой погрешности траекторных измерений // Информационные системы в промышленности и образовании. Сб. научн. Тр. Мол. Уч. Вып.4 - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2009. - С.43-49.

11. Афанасьев В.А., Вдовин А.Ю. Оптимизация положения световых экранов при определении внешнебаллистических параметров // Сб. н. труд. "Современные направления теоретических и прикладных исследований, 2009". Т. 2 -Одесса: Изд-во Черноморье, 2009. С. 37-38.

12. Афанасьев В.А., Вдовин А.Ю. Уточнение траектории в системах определения внешнебаллистических параметров // Сб. н. труд. "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития, 2009". Т. 3 - Одесса: Изд-во Черноморье, 2009. С. 61 -63.

13. Афанасьев В.А. Физическая модель световой мишени // Информационные технологии в науке, промышленности и образовании. Сб. тр. научн.-техн. конф. факультета «Информатика и вычислительная техника» ИжГТУ. -Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010.-С.7-11.

14. Афанасьев В.А., Лялин В.Е. Исследование возможности уменьшения погрешности световой мишени из-за нутации и прецессии пули // Надежность и качество. Труды междунар. симпозиума. В 2-х томах / Под. ред. Н.К. Юркова -Пенза, 2013.-Т. 1. - С. 245-248.

15. Афанасьев В.А., Лялин В.Е. Экспериментальное исследование эффективности использования взвешенных моментов времени в световой мишени // Надежность и качество. Труды междунар. симпозиума. В 2-х томах / Под. ред. Н.К. Юркова - Пенза, 2013. - Т. 1.-С. 245-248.

В.А.Афанасьев

В редакции авторов

Подписано в печать 05.11.13. Усл. печ. л. 1,40. Заказ № 342. Тираж 100 экз.

Издательство Ижевского государственного технического университета имени М. Т. Калашникова Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ. 426069, Ижевск, Студенческая, 7

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова» (ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова»)

А / П Л А / Е i 1 "5 О

•J*r (.Vl-TJTitU

На правах рукописи Афанасьев Владимир Александрович

УДК 681. 518: 623. 593.3

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ ПО ВНЕШНЕБАЛЛИСТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

Специальности:

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

(в науке и технике); 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Заслуженный изобретатель РФ д. т. н., профессор В. Е. Лялин Научный консультант:

Заслуженный деятель науки УР к. т. н., профессор В. С. Казаков

Ижевск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 4

ГЛАВА 1. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

СИСТЕМЫ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ................................................................... 14

1.1. Обзор мишеней, используемых для испытаний стрелкового оружия в автоматических и автоматизированных контрольно - измерительных системах.................................. 14

1.1.1. Контрольно-измерительные системы с использованием

световых экранов (световых блокирующих плоскостей)...... 17

1.2. Преобразователи световых мишеней.................................... 19

1.3. Влияние угла нутации пули на точность измерения

момента времени пересечения пулей светового экрана......... 25

1.4. Обоснование требуемой точности вычислений...................... 27

1.5. Выводы по главе 1............................................................ 28

ГЛАВА 2. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

СВЕТОВЫХ ЭКРАНОВ............................................... 30

2.1. Классификация оптико-электронных преобразователей световых экранов.............................................................. 30

2.2. Основные энергетические соотношения............................... 36

2.3. Весовая функция светового экрана..................................... 40

2.4. Формирование сигнала на входе ОЭП................................. 49

2.5. Замечания по выбору поля регистрации, предназначенного

для контроля полета изделия........................................................................................56

2.6. Определение тени пули............................................................................................................58

2.7. Определение энергетического сигнала с учетом положения блокирующих плоскостей......................................................................................................62

2.8. Выбор фотоприемника для световой мишени..................................................66

2.9. Выбор схемы включения фотодиода в оптико-электронном преобразователе световой мишени..............................................................................72

2.10. Выбор функции веса усилителя-фильтра..........................................................75

2.11. Выводы по главе 2......................................................... 78

ГЛАВА 3. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

КОНТРОЛЬНО -ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА СВЕТОВЫХ ЭКРАНАХ.......................................... 81

3.1. Алгоритм моделирования................................................... 82

3.2. Определение момента времени пересечения светового

экрана центром массы пули..............................................................................................85

3.3. Моделирование тени пули и сигнала на выходе ОЭП....................90

3.4. Идентификация модели и определение погрешностей вычисленных координат точек попадания......................................................93

3.4.1. Модель и схема мишени с четырьмя световыми

экранами...................................................................... 93

3.4.2. Модель инвариантной мишени с пятью световыми экранами..................................................................... 98

3.4.3. Идентификация моделей........................................101

3.5. Статистическое моделирование влияния углов нутации и прецессии и оптимизация модели мишени

по коэффициенту пересчета к.................. ... 106

3.6. Выводы по главе 3........................................................... 110

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НА СВЕТОВЫХ ЭКРАНАХ.......................................... Ш

4.1. Структурная схема и описание КИС.................................. Ш

4.1.1. Краткое описание блоков и узлов, входящих в КИС....... ИЗ

4.1.2. Описание работы макета КИС....................................... 120

4.2. Программное обеспечение КИС......................................... 121

4.2.1. Программное обеспечение сбора данных......................... 121

4.2.2. Программное обеспечение обработки данных и исследования эффективности использования взвешенных времен...................................................... 123

4.3. Результаты экспериментальных исследований...................... 124

4.3.1. Экспериментальное исследование использования взвешенных времен для различных типов пуль.............. 128

4.3.1.1. Результаты испытаний при стрельбе сферической

пулей..................................................................... 129

4.3.1.2. Результаты испытаний при стрельбе пулей типа «Альфа»......................... ......................................... 130

4.3.1.3. Результаты испытаний при стрельбе пулей типа «Gamo» без смещения центра массы........................... 132

4.3.1.4. Результаты испытаний при стрельбе пулей типа «Дротик», центр массы у которой находится близко

к головке пули........................................................ 134

4.3.2. Экспериментальное исследование использования взвешенных времен в КИС в производственных

условиях эксплуатации.................................................. 135

4.4. Исследование влияния порога на эффективность использования взвешенных времен..................................... 140

4.5. Выводы по главе 4........................................................... 143

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................... 145

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ......... 148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 149

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................... 158

П1. Акты внедрения результатов на промышленном предприятии... 158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Производство и эксплуатация стрелкового оружия требуют оценки таких параметров стрельбы как начальная скорость пули У0, баллистический коэффициент с, скорость движения пули на дистанциях 10, 25, 50 м (Ую, У25, У50) и координаты точки попадания пули в мишень у о, ю- В ИжГТУ имени М.Т. Калашникова разработана и успешно эксплуатируется в промышленности автоматизированная контрольно-измерительная система (КИС), построенная с использованием световых экранов (плоскостей) и позволяющая оценивать координаты точки попадания пули в мишень в автоматическом режиме.

Данная система определяет траекторию полета пули путем оценки координат точек пересечения пулей световых плоскостей, расположенных под различными углами к траектории полета пули. Координаты точек попадания пули в мишень рассчитывают с применением уравнений внешней баллистики. Знание координат точек попадания позволяет оценить меткость и кучность стрельбы, выполнить операции по приведению оружия к нормальному бою, оценить соответствие оружия требованиям стандартов на изготовление и эксплуатацию.

Оценка дополнительных параметров стрельбы, таких как баллистический коэффициент пули с, начальная скорость У0, скорости на дистанциях 10, 25, 50 м (У10, У25, У50) выполняется с применением специализированных методик испытаний. При этом оценка баллистического коэффициента и начальной скорости У0 не использует решения обратной задачи внешней баллистики даже при стрельбе с баллистического ствола, закрепленного на станке, из-за погрешностей оценки координат полета пули, погрешностей оценки момента времени пересечения светового экрана центром массы пули и по ряду других причин, имеющих стохастический характер и до настоящего времени полностью не изученных.

Сложность контрольно-измерительных систем и решаемых ими задач, необходимость высокой эффективности технологического процесса испытаний оружия с точки зрения его организации и техники безопасности испытаний,

снижение погрешности измерений, уменьшение затрат, особенно при проведении массовых испытаний, требование совершенствования и развития как стрелкового оружия, так и контрольно-измерительных систем, все это делает тему диссертационной работы актуальной.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам внешней баллистики на современном этапе в области вращательного движения и расчета траектории снаряда в воздухе посвящены работы Н.В. Майевского, H.A. Забудского, Ф. Сиаччи, теоретическим основам внешней баллистики, решению прямой задачи внешней баллистики - работы Я.М. Шапиро, A.A. Коновалова, Ю.В. Николаева и др., вопросам построения КИС на световых экранах - работы Ю.В. Вер-киенко, B.C. Казакова и др. Дальнейшее развитие КИС, повышение её функциональных возможностей и информативности испытаний требуют повышения точности измерения координат точек при попадании пули в мишень. Решение указанных задач определило выбор цели, задач, объекта и предмета исследований.

Объектом исследования являются методы и приборы обработки информативных сигналов в системах испытаний стрелкового оружия.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы оценки параметров стрелкового оружия на измерительных комплексах с использованием световых экранов, структура измерительных комплексов, модели сигналов на входе оптических датчиков, закономерности формирования отклика на выходе датчиков световых экранов, методики обработки сигналов с оптических датчиков, математические модели трасс и световых мишеней.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методов и алгоритмов снижения погрешности при измерении координат точек попадания пули в мишень в автоматизированной контрольно-измерительной системе на основе световых экранов, что позволит расширить функциональные возможности системы и увеличить информативность каждой серии испытаний.

Для достижения поставленной цели решаются задачи:

- определение зависимости энергетической величины потока излучения от

энергетической яркости и размеров площадки излучателя и чувствительности площадки приемника;

- разработка новых моделей с использованием уравнений внешней баллистики в качестве уравнений моделей мишеней и баллистических трасс;

- минимизация количества излучателей и оптико-электронных преобразователей с применением цифровых измерений и обработки, а также с выбором оптимального расположения, обеспечивающего высокую обусловленность уравнений;

- разработка моделей тени пули, энергетического сигнала на входе оптико-электронного преобразователя (датчика), усилителя фототока (фильтра), определения времени пересечения центром массы пули светового экрана с учетом траектории полета пули на дистанции, с учетом угла установки светового экрана, а также углов нутации и прецессии пули;

- разработка методики определения коэффициента пересчета для определения момента времени пересечения центром массы пули светового экрана по измерениям моментов времени входа пули в световой экран и выхода из него;

- исследование моделей и натурные испытания с определением коэффициента пересчета и уровней порога сигналов, по которым принимается решение о входе пули в световой экран и выходе из него.

Методология и методы исследований. В работе для теоретических исследований применялись методы системного анализа и теории информационно-измерительных систем, аналитической геометрии, погрешностей измерений. При разработке и идентификации моделей, баллистических трасс и мишеней использовались теория дифференциальных уравнений, теория чувствительности и обусловленности решения, регрессионный анализ и метод наименьших квадратов. Для исследования моделей и теоретических зависимостей использованы статистическое моделирование и результаты натурных испытаний. Исследование моделей и их идентификация осуществлялись с помощью математических пакетов Mathcad и Maple. При разработке макета контрольно-

измерительной системы испытаний использовались методы теории управления технологическими процессами, теории автоматического управления, измерительной техники, схемотехники, теории цифровых вычислительных машин, цифровой обработки информации и программирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

- показано, что на величину погрешности измерений момента времени пересечения центром массы пули светового экрана влияют: параметры осветителя и приемника светового экрана; методика определения момента времени пересечения экрана центром массы пули; угол встречи пули со световым экраном, зависящий от угла установки экрана, от угла, определяемого траекторией полета пули, от углов нутации и прецессии пули;

- определены оценки совместной весовой функции световой плоскости и оптикоэлектронной системы; построена весовая функция световых плоскостей; найдена зависимость весовых функций от размеров длины осветителя, ширины светового экрана, формы светового экрана, координат пролета пули через световой экран;

- показано, что для произвольного угла вхождения пули в световой экран и произвольной толщине светового экрана весовая функция становится нелинейной и не может быть представлена простыми математическими выражениями; показано, что оптикоэлектронная система, построенная с использованием операционных усилителей, приводит к нарушениям симметрии совместной весовой функции и, соответственно, к различию сдвига оценок времен входа и выхода пули из экрана относительно времени пересечения экрана центром массы пули; разработана методика определения действительной тени пули при различном угле входа пули в световой экран;

- обоснована структура имитационной модели и получено ее математическое описание с четырьмя и пятью световыми экранами, разработаны алгоритмы идентификации математических моделей, учитывающих действительное положение световых экранов, позволяющие провести эксперименты по опреде-

лению траектории полета пули с заданной точностью измерений;

- показано на имитационной модели и экспериментально подтверждено на физической модели контрольно-измерительной системы то, что снизить погрешность измерений параметров выстрела можно путем использования коэффициента, выполняющего пересчет моментов входа и выхода пули из светового экрана в момент времени пересечения светового экрана центром массы пули по предложенной формуле; коэффициент пересчета имеет случайную природу и может быть оценен путем статистических испытаний на модели контрольно-измерительной системы и на действующей контрольно-измерительной системе.

Теоретическая и практическая значимость работы.

- Получены выражения, позволяющие определить момент времени пересечения светового экрана центром массы пули конечной длины по моментам времени входа и выхода пули из светового экрана.

- Построена весовая функция световых экранов; найдена зависимость весовых функций от размеров длины осветителя, ширины светового экрана, формы светового экрана, координат пролета пули через световой экран.

- Показано, что для произвольного угла вхождения пули в световой экран и произвольной толщине светового экрана весовая функция становится нелинейной и не может быть представлена простыми математическими выражениями.

- Найдена проекция тени реальной пули на световую плоскость для произвольного угла входа пули в световую плоскость.

- Определены требования к осветителю светового экрана. Показано, что ленточный осветитель обеспечивает хорошую линейность расположения светящейся нити осветителя и равномерность свечения. Серьезными недостатками ленточного осветителя является его громоздкость, большое потребление мощности и пожаро-опасность; модуляция светового потока в точках теплового контакта нити с подвесом. Предложен излучатель на лампах накаливания нового поколения, обеспечивающий равномерность светового потока по всей длине излучателя и снижение на порядок потребляемой мощности по сравнению с ленточными излучателями.

- Определены требования к фотоприемнику фотоэлектронного преобразователя. В качестве фотоприемника выбран фотодиод ФД-24К, как наиболее соответствующий требованиям фотоприемника светового экрана, работающего на отрицательный контраст. Показано, что совместная весовая функция световой и оптоэлектронной систем несимметрична относительно момента пересечения светового экрана центром массы пули.

- Построена модель контрольно-измерительной системы с четырьмя и пятью световыми экранами, позволяющая провести эксперименты по оценке значения коэффициента пересчета к, который обеспечивает минимальное значение среднеквадратичного отклонения для оценки положения центра массы пули в момент пересечения светового экрана. Использование коэффициента пересчета к в действующем макете контрольно-измерительной системы снизило погрешность при оценке координат точек попадания пули в мишень примерно в 1,5 раза. Снижение погрешности определения моментов пересечения центром массы пули светового экрана обеспечивает снижение погрешности определения других внешнебаллистических параметров, таких как начальная скорость пули, скоро�