Разработка и исследование информационно-измерительной системы на основе акустических мишеней для испытаний стрелкового оружия на открытой местности

Актуальность темы

.

Совершенствование управления производственными процессами является одной из важнейших научно-технических задач. Ее решению способствует внедрение информационно-измерительных систем (ИИС), как составной части технологических процессов.

Одной из основных характеристик качества стрелкового оружия (СО) является точность стрельбы, характеризующаяся меткостью стрельбы — МС (степенью совмещения средней точки попадания — СТП с контрольной точкойКТ) и кучностью — КС (рассеиванием результатов около средней точки попадания) [52].

Характеристики меткости стрельбы определяются экспериментально. Результат выстрела (координаты точки попадания) являются случайными [11,21,77,78]. Точность определения характеристик меткости стрельбы зависит от объема выборки (количества выстрелов) и погрешности определения координат. Вопросам обоснования требуемой точности измерений посвящено большое количество работ, например [6,13,20,71,77,78]. Кроме того, требуемая точность регламентируется руководящими материалами (техническими условиями, инструкциями на испытания и наставлениями по стрелковому делу [52]). Поэтому мы руководствуемся существующими требованиями.

Традиционное решение задачи проверки МС и КС заключалось в производстве стрельб по бумажным мишеням с дальнейшим визуальным анализом и ручной обработкой результатов стрельб. В настоящее время в производственных условиях испытания на меткость и кучность стрельбы производятся с помощью ИИС, содержащих бесконтактные мишени. Из большого разнообразия принципов регистрации координат и соответственно автоматических мишеней проверку временем выдержали и используются в настоящее время два типаакустические и световые [23,60,61,68]. 6.

В процессе эксплуатации этих мишеней накоплен опыт, выявлены их достоинства и недостатки. Состояние экономики России и стран СНГ, отсутствие финансирования привели к резкому сокращению заказов и выпуска стрелкового оружия. Но с другой стороны, появился спрос и соответственно организован выпуск гражданского оружия (спортивного, охотничьего) большой номенклатуры. Соответственно сохранилась необходимость в ИИС и, более того, периодически поступают заказы на их разработку и внедрение.

Последнее обстоятельство обусловлено также и тем, что старые ИИС и мишени дожили не только до морального, но и до физического износа. Так, например, на АООТ, «Ижмаш» механизированная испытательная станция для автомата Калашникова со световыми мишенями эксплуатируется 17 лет. Вычислительные машины типа ДЗ-28 в составе станции эксплуатируются более 10 — 15 лет. Аналогичная ситуация сложилась на Вятско-Полянском машзаводе с акустическими мишенями на базе вычислительных машин типа «Электроника С-60», а также на других предприятиях России и СНГ [69,70].

Недостатками световых мишеней являются высокая энергоемкость (1.5 Квт на один излучатель длиной 1.2м), сложность и громоздкость конструкций (излучателей и оптико-электронных преобразователей), устанавливаемых в тире. По последней причине их трудно защитить от случайных попаданий. Преимуществами по сравнению с акустическими мишенями является лучшая помехозащищенность и почти на порядок больший допустимый темп регистрации при стрельбе очередями. В случае одиночной стрельбы из охотничьего и спортивного оружия с учетом сказанного целесообразно применять акустические мишени.

Пробел в акустических мишенях в России для дозвуковых скоростей пуль восполнен усилиями сотрудников Вузовско-академического отдела методов испытаний тепловых машин (BAO МИТМ) при ИжГТУ и ИПМ УрО РАН. Эти мишени используют резиновый экран, при пробивании которого возникает звуковая волна в воздушной среде, регистрируемая по существу теми же акустическими датчиками, что и в мишени для сверхзвуковых скоростей. Исполь7 зование таких мишеней позволило распространить акустические мишени и для дозвуковых скоростей.

В связи с практическим отсутствием выпуска отечественной вычислительной техники усилиями сотрудников BAO МИТМ произведена модернизация старых и разработка новых ИИС на базе зарубежных персональных компьютеров типа IBM PC. При этом открылись совершенно новые возможности как по вычислительной мощности входящих в ИИС вычислителей, так и по аппаратно-программному обеспечению. Используются возможности максимального переноса функций на программные средства с минимальным количеством аппаратных средств.

В случае сверхзвуковых пуль, стрельбы одиночными выстрелами или в случае низкого темпа стрельбы целесообразно использовать акустические мишени с точечными акустическими датчиками, которые более просты по конструкции и менее энергоемки.

Однако до настоящего времени, несмотря на многочисленные попытки различных организаций-разработчиков (в прошлом), акустические мишени не удавалось использовать на открытой местности из-за недостаточной точности измерения координат. Анализ показал, что причиной этого является ветер, смещающий звуковую волну неизвестным образом. Поэтому повышение точности измерений координат связано с учетом ветра. Кроме того, в случае большого поля регистрации (мишени) необходимо учитывать отклонение образующей звуковой волны от прямой линии.

Таким образом, актуальна задача совершенствования и разработки ИИС испытаний стрелкового оружия с акустическими мишенями для работы в условиях открытой местности, на базе современных персональных компьютеров.

Цель работы заключается в повышении точности ИИС для испытаний стрелкового оружия на открытой местности за счет совершенствования моделей акустических мишеней и разработки аппаратных и программных средств.

Для достижения поставленной цели решаются задачи: 8.

— разработка моделей звуковой волны для большого поля регистрации с учетом нелинейности её образующей из-за замедления скорости полета пули и скорости распространения фронта волны;

— разработка модели, учитывающей ветер в условиях открытой местности в предположении ламинарного движения воздуха;

— разработка алгоритмов идентификации акустических мишеней и определения координат;

— экспериментальная проверка разработанных мишеней и алгоритмов.

Объектом исследования являются акустические мишени и ИИС на их основе для испытаний стрелкового оружия на открытой местности.

Предметом исследования являются методы аналитической геометрии, внешней баллистики, теории погрешностей, идентификации моделей, разработки алгоритмов, аппаратного и программного обеспечения для информационно-измерительных систем.

Методика исследования. В работе для теоретических исследований применены, главным образом, методы аналитической геометрии, элементы внешней баллистики, методы теории погрешностей и теории информационно-измерительных систем. При разработке мишеней и алгоритмов использовались методы цифровых вычислительных систем, измерительной техники, схемотехники и программирования.

Для проверки моделей и теоретических зависимостей использовались методы моделирования и результаты натурных испытаний.

Научная новизна и личный вклад автора состоят в следующем:

— разработаны модели образующей фронта звуковой волны для большого поля регистрации, учитывающие равнозамедленное движение пули и замедленное распространение фронта волны в процессе её перемещения- 9.

— установлена зависимость погрешности измерений координат пролета пули от нелинейности образующей фронта звуковой волны и определена допустимая величина отклонения от линейной образующей фронта;

— разработаны пространственная, геометрическая и обобщенная регрессионно-физическая модели акустической мишени с учетом ветра в предположении ламинарного движения воздуха с постоянной скоростью;

— разработана линейная нулевая модель для определения начальных условий для определения координат по нелинейным моделям с учетом ветра;

— впервые разработаны алгоритмы идентификации физической модели по результатам опытных стрельб с регистрацией времени срабатывания акустических датчиков и координат пролета пуль через плоскость регистрации (мишени);

— обоснована возможность применения вторичной регрессионной модели для погрешностей измерений, обусловленных неточной установкой акустических датчиков в коридоре стрельбы.

Практическая ценность и внедрение результатов работы.

1. Аналитические зависимости погрешности измерений координат с помощью акустической мишени от нелинейности образующей фронта звуковой волны.

2. Аналитические зависимости образующей фронта звуковой волны от замедления движения пули и замедления распространения фронта волны со временем.

3. Пространственная, геометрическая и обобщенная регрессионно-физическая модели акустической мишени с учетом ветра и нелинейности фронта звуковой волны.

4. Алгоритмы идентификации моделей акустической мишени.

5. Изготовленные и исследованные акустические датчики и мишени.

6. Результаты испытаний и внедрения. Публикации, программы и заявка на патент.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и внедрении ИИС на основе акустических мишеней в закрытом тире на ОАО «Молот» (г. Вятские Поляны), на ОАО «Ижмаш» и в полигонных условиях в в/ч 33 491 (г. Санкт-Петербург).

Апробация и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Ученые Иж-ГТУ — производству» в 1998;2001 годах, на семинарах научно-молодежной школы «Информационно — измерительные системы на базе наукоемких технологий» по Целевой Федеральной Программе «Интеграции» (проект № 864) в 1997;1999 годах (г. Ижевск). Материалы работы обсуждались и использовались при выполнении НИР по программе Минобразования «Конверсия» (проект № 01.9.70 6 112, 1999;2000 г.) и по программе Миноборопрома (проект № 3.01.03,2001;2002 годы).

Основной материал диссертации отражен в работах, отчетах НИР. Подана заявка на устройство для определения внешнебаллистических характеристик полета пуль и снарядов (акустическую мишень).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы (наименований) и приложения, содержащего программы для математического пакета MAPLE, фрагменты рабочих программ ИИС, протоколы тарирования и проверки ИИС, протокол сдачи системы в эксплуатацию и акт внедрения ИИС в в/ч 33 491, г. Санкт-Петербург. Работа содержит 123 страницы машинописного текста, включая 46 иллюстраций, 6 таблиц и приложение.

Выводы научно-технического порядка сформулированы по главам. В дополнение к выводам, приведенным в каждой главе, по результатам выполненных исследований можно сделать следующее заключение.

1. Анализ известных акустических мишеней и их моделей позволил установить достигнутый уровень, вскрыть особенности моделей и причины вырождаемости системы уравнений модели, а также констатировать непригодность существующих мишеней и их моделей для измерения координат в полевых условиях (на открытой местности в случае ветра и большого поля регистрации) и сформулировать задачи исследования.

2. Разработаны модели звуковой волны (с учетом замедления движения пули и фронта звуковой волны, с учетом ветра) и оценена величина нелинейности образующей и оси конуса. Модели позволили аппроксимировать образующую полиномом второго порядка.

3. Разработана пространственная физическая модель акустической модели с учетом ветра, содержащая 9 неизвестных, а с учетом нелинейности образующей -10 неизвестных.

4. Разработанная геометрическая физическая модель, основанная на описании эллипса в сечении конуса звуковой волны плоскостью мишени, позволила более детально вскрыть математическую сущность задачи, объяснить причину плохой обусловленности физических моделей и получить модель с меньшим количеством неизвестных за счет аппроксимации эллипса окружностью в случае малых отклонений траектории от нормальной (перпендикулярной) плоскости мишени.

5. Впервые осуществлена идентификация параметров физической модели благодаря сокращению количества параметров за счет использования сведений о точном взаимном расположении акустических датчиков, установленных на одном конструктиве.

6. Для нулевой модели (в случае гипотезы о нормальности траектории плоскости мишени) разработан метод решения, сводящийся к линейной задаче МНК за счет перехода для каждой пары датчиков к системе координат, связанной с ними. Результаты решения линейной задачи МНК для нулевой модели используются как начальные условия при решении нелинейной задачи МНК в случае нелинейных физических и регрессионных моделей.

7. В результате анализа геометрической физической модели установлена возможность аппроксимации эллипса в сечении звуковой волны плоскостью датчиков окружностью в случае отклонения траектории от нормальл ной до 0.01 радиан (при мишени до 1×1 м и дальности стрельбы не менее 100 м), что позволило разработать нулевую модель с учетом ветра и наклона траектории, содержащую 6 неизвестных.

8. Путем обобщения переменных пространственной модели разработана обобщенная пространственно-регрессионная физическая модель, содержащая 8 переменных (9 переменных в случае учета нелинейности образующей конуса звуковой волны), против 9-ти (10-ти) переменных пространственной и геометрической физических моделей, что математически объяснило плохую обусловленность последних моделей.

9. С помощью моделирования определена вычислительная погрешность моделей из-за квантования времени срабатывания датчиков, позволившая задать требования к частоте таймера (порядка 10 МГц).

10. Разработана аппаратная часть ИИС АИС-ПРП.

11. Разработано ПО ИИС АИС-ПРП.

12. Проведены натурные испытания, подтвердившие работоспособность системы и уменьшение погрешностей измерений в ветреную погоду в 3−4 раза по сравнению с существующими моделями, не учитывающими ветер. Установлено, что погрешность при натурных испытаниях выше, чем при моделировании, в 5−10 раз, что объясняется вихревым, а не ламинарным движением воздуха (ветра), принятым в моделях. Создать модель учитывающую вихревое течение воздуха практически невозможно. Для уменьшения погрешностей измерения следует увеличить количество датчиков в 3−5 раз, что экономически и технически нецелесообразно.