CC BY
41
УДК 623.593
Афанасьев1 В.А., Казаков1 В.С., Лялин1 В.Е., Коробейников2 В.В.
1. Ижевский государственный технический университет имени М. Т. Калашникова
2. Институт механики УрО РАН, г. Ижевск
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЗВЕШЕННЫХ МОМЕНТОВ ВРЕМЕНИ В СВЕТОВОЙ МИШЕНИ
Аннотация. Рассматриваются результаты экспериментальных исследований получения взвешенных моментов времени пересечения пулей световых экранов и эффективности их использования в световой мишени при определении параметров меткости и кучности стрелкового оружия
Ключевые слова: мишень, координата, нутация, прецессия, погрешность
Статистическое моделирование [1] показало, что погрешность определения координат точек попадания в информационно-измерительных системах (ИИС) на основе световых автоматических мишеней, предназначенных для испытания стрелкового оружия, можно уменьшить за счет учета влияния углов нутации и прецессии. Это возможно в том случае, если аппаратное и программное оснащение ИИС обеспечивает измерение моментов времени входа и выхода пули из светового экрана.
Для оценки возможности уменьшения погрешности световой мишени от нутации и прецессии и подтверждения результатов статистического моделирования была создана лабораторная информационноизмерительная система (ИИС) на световой мишени, в которой для определения координат точек попадания (ТП) пуль использовались времена пролета пули от одного светового экрана до другого. Для измерения этих времен применялся виртуальный цифровой осциллограф (ВЦО) [2]. Структурная схема лабораторной ИИС, на которой проводились эксперименты, показана на рис. 1. В качестве пневматического стрелкового оружия (СО) использовалось изделие ИЖ-60, выпускаемое ОАО «Ижевский механический завод». Калибр - 4,5 мм, дульная скорость 230 м/сек. Стрелковая скамейка представляет собой стол с приспособлением для стрельбы с упора. Для обработки информации с ВЦО использовалась ПЭВМ стандартной конфигурации.
Рисунок 1. Структурная схема ИИС
БДИ - блок датчиков и излучателей; ВЦО - виртуальный цифровой осциллограф; СБ - системный блок ПЭВМ; СО - стрелковое оружие; СК - стрелковая скамейка
Основным узлом световой мишени является световой экран, который образуется линейным источником света, расположенным с одной стороны траекторий полета пуль, и оптико-электронным преобразователем (ОЭП) - датчиком - с другой стороны. Схема расположения датчиков и излучателей в блоке датчиков и излучателей (БДИ) показана на рис. 2. Данная схема реализована на оптико-электронных преобразователях (ОЭП) новой конструкции, которая обеспечивает прием сигналов от трех излучателей света, и включает в себя два ОЭП и пять излучателей. Датчики и излучатели расположены таким образом, чтобы получить модель, инвариантную к углу входа траектории пули в мишень.
После выполнения каждого выстрела сигналы из БДИ (рис.3) поступали в ВЦО, откуда по программе управления записывались в файл на жесткий диск ПЭВМ. Для исследования эффективности использования взвешенных времен было выполнено 9 серий выстрелов из пневматического оружия. Каждая серия состо-
2
яла из 20 - 35 ударов в одну бумажную мишень, по которой измерялись координаты пробоин. Данные измерений вводились в память ПЭВМ.
Плоскость
регистрации
Рисунок 2 - Схема расположения датчиков и излучателей в БДИ /0/4 - излучатели; D0D - оптико-электронные датчики; Э0,...,Э5 - световые экраны;
Обработка информации по записанным сигналам осциллографа и измеренным координатам выполнялась с помощью комплекса программ, состоящего из управляющей программы, которая формировала значение порога, читала, модифицировала и записывала на жесткий диск файл установок, программы определения времен при заданном в файле установок уровне порога и программы пакета MathCAD [4] для определения координат, их погрешностей, дисперсий погрешностей в серии, показателей эффективности использования взвешенных времен, оптимальных значений коэффициентов пересчета времен. Порог изменялся от 0,1 до 0,9 с шагом 0,1. Блок-схема программы показана на рис.4.
Взвешенное время (время пересечения экрана центром пули) вычислялось по формуле t,j = k(tk),j + (1- kXt„),j , (1)
где i - номер пробоины в бумажной мишени; j - номер светового экрана; k - коэффициент пересчета; (tn)fj , (tk)fj - времена входа и выхода пули из экрана.
Рисунок 3. Определение времени входа ( tn ) и выхода ( tk ) пули из светового экрана на уровне 0,5
амплитуды сигнала с ОЭП
Математическая модель световой мишени определяется регрессионными уравнениями [1, 3] ,, О) + aiz+ay i, bo + biz+b2 y
кУ - 1 , kz ли и , (2)
1 - a$ z - a4 y 1 - b3 z - b4 y
где z,y
координаты ТП; at, b - тарировочные коэффициенты; i - 0,...,4 ; k ,k
енты.
Приборные коэффициенты имеют вид U - U
k - [s_______t_±
y ^ -
_ l5
h A
(3)
приборные коэффици-
где ф - моменты времени, определяемые по (1); i - порядковый номер экрана. Коэффициенты a, bt в
(2) определяются на этапе идентификации математической модели мишени по измеренным координатам точек попадания и соответствующим им моментам времени пересечения пулей экранов. В рабочем режиме
3
координаты точки попадания определяются из решения системы (2), в которой коэффициенты at, b - величины известные (получены на этапе тарирования системы), и с последующим их уточнением с помощью регрессионных функций.
Оптимальное значение коэффициента к t находилось из условия минимума дисперсии погрешности координат. Эффективность использования взвешенного времени определялась отношением дисперсии погрешности вычисленных координат при к = 0 к дисперсии погрешности вычисленных координат при к = к t .
Значение к=0 означает, что времена срабатывания датчиков определялись по переднему фронту сигнала на заданном уровне порога.
Г Начало J
^ Выход Л
Рисунок 4 - Блок-схема программы обработки
Результаты некоторых расчетов приведены в таблице и на рисунках 5 - 8. Их анализ показывает, что чем ниже порог, тем выше эффективность (рис. 7 б) . Однако низкий порог снижает защищенность ИИС от помех (таблица, серии 7 - 9). Высокое значение порога увеличивает погрешность (таблица, серия 7; рис. 6). Оптимальное значение коэффициента к t необходимо выбирать из диапазона от 0,3 до 0,8 (рис. 6, 7) в зависимости от типа пули. При выборе порога необходимо ориентироваться на
оптимальное значение коэффициента к t и обеспечение помехозащищенности системы.
Таблица Оптимальное значение коэффициента пересчета к в зависимости от уровня порога и целевой функции
№ серии Целевая функция Уровень порога
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 СО о 0,9
i ®dz 0,637 0,625 0,571 0,682 0,692 0,569 0,677 0,674 0,515
®dy 0,678 0,687 0,476 0,467 0,484 0,269 0,442 0,568 0,321
2 ®dz 0,677 0,625 0,511 0,475 0,175 0,166 0,258 0,312 0,323
°dy 0,533 0,535 0,54 0,495 0,484 0,437 0,555 0,558 0,592
4
3 ®dz 0,564 0,57 0,642 0,591 0,44 0,624 0,533 0,584 0,92
®dy 0,468 0,442 0,788 0,531 0,587 0,777 0,679 0,734 0,994
4 ^dz 0,651 0,649 0,665 0,702 0,74 0,834 0,81 0,869 0,591
®dy 0,405 0,363 0,467 0,711 0,593 0,569 0,609 0,604 0,67
5 ®dz 0,667 0,667 0,698 0,571 0,6 0,575 0,551 0,732 0,779
ady 0,784 0,785 0,803 0,745 0,808 0,784 0,744 0,795 0,67
6 ^dz 0,763 0,751 0,71 0,606 0,47 0,475 0,38 0,409 0,349
ady 0,961 0,979 0,964 0,935 0,908 0,749 0,7 0,588 0,346
7 ®dz - 0,5 0,477 0,368 0,281 0,293 0,276 0,282 -
®dy - 0,429 0,39 0,398 0,303 0,332 0,392 0,372 -
8 ^dz - 0,582 0,611 0,544 0,446 0,492 0,47 0,467 0,601
ady - 0,623 0,652 0,672 0,661 0,623 0,56 0,487 0,539
9 ®dz - 0,601 0,583 0,547 0,617 0,623 0,589 0,658 0,762
ady - 0,514 0,366 0,378 0,374 0,431 0,424 0,509 0,621
СКО dz, dy при к = 0
Рисунок 5 - Зависимость среднего квадратического отклонения (СКО) погрешностей координат ТП при к = 0 от порога
GZ_Op_Z
&y_op_z
СКО dz, dy при к = kopt по dy
p
vz_op_y
&y_op_y
Рисунок 6 - Зависимость среднего квадратического отклонения погрешностей координат ТП при к = kopt
от порога
5
кopt по dz, dy Эффективность
а) б)
Рисунок 7 - Влияние порога на значение kopt а) и на эффективность б)
СКО dz
a dz5
- dz8
к
\
\
А \ \
\х ч ч
Л ч \
к ч V \ г/ •
у \ 4* >/ /Л <у
ч ч < ^ •* + j
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
к
0.7 0.8 0.9 1
2
сг dz1
■_dz3 . г
сг dz4
сг dz9
СКО dy
к
Рисунок 8 - Зависимость погрешностей от коэффициента к и от порога
На графиках обозначено: a_dz1,a_dy1 - СКО погрешностей при p = 0,1, a_dz2,a _dy2 - СКО погрешностей при p = 0,2 и т.д.; к - коэффициент, используемый при определении взвешенного времени
Эксперименты показали, что оптимизация коэффициента к позволяет увеличить точность определения координат по сравнению с определением времен по переднему фронту сигналов в 1,2 - 2,2 раза.
Таким образом, эксперименты подтвердили выводы теоретических исследований и позволили дать рекомендации по оптимальному выбору порога для определения времен пересечения пулей световых экранов и оптимального значения коэффициента к , обеспечивающих минимум погрешностей вычисленных координат ТП, параметров кучности и меткости в световой мишени.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коробейников В.В., Афанасьев В.А. Исследование возможностей уменьшения погрешности световой мишени из-за нутации и прецессии тела / Интеллектуальные системы в производстве, Ижевск, изд-во ИжГТУ. -2010 (2). - С103-109.
2. Фирма «АКТАКОМ». URL: http://www.aktakom.ru (дата обращения: 20.03.2013)
3. Пат. 2213320 Российская Федерация, МПК F41 J 5/02. Световая мишень / Афанасьева Н. Ю., Веркиенко Ю. В., Коробейников В. В.; заявитель и патентообладатель Институт прикладной механики УРО РАН. - № 2002116940/02; заявл. 24.06.02; опубл. 27.09.03. Бюл. № 27 - 18 с.: ил.
4. Дьяконов В.П. Mathcad 11/12/13 в математике. Справочник - М: - Горячая линия - Телеком,
2007 -958 с.
