CC BY
3
A STUDY ON THE ASSESSMENT OF BALLISTIC EFFECTS OF SMALL ARMS BULLETS
A.A. Gromov, M.S. Vorotilin, Yu.V. Cheburkov, V.I. Petrenko, A.S. Ishkov
A study was conducted to assess the ballistic resistance of hot-rolled sheets of structural steel with a nominal yield strength of355 MPa. Ballistic tests were carried out with 7.62mm armor-piercing bullets on monolithic and multilayer configurations both in the "blank" (AR) state and in the "body hardening" (CH) state. Key words: shot, ballistics, small arms, bullet.
Gromov Alexey Alexandrovich, course officer - teacher, applicant, [email protected], Russia, Penza, Branch of the Military Academy of the MTO named after Army General A. V.Khrulev,
Vorotilin Mikhail Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, vice-rector of Tula State University, Russia, Tula, Tula State University,
Cheburkov Yuri Viktorovich, senior lecturer, [email protected], Russia, Penza, Branch of the Military Academy of the MTO named after Army General A. V.Khrulev,
Petrenko Viktor Ivanovich, candidate of technical sciences, deputy head of the department, Russia, Penza, Branch of the Military Academy of the MTO named after Army General A. V. Khrulev,
Ishkov Anton Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, asihkov@mail. ru, Russia, Pnza, Penza State
University
УДК 623.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-400-401
ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОПАДАНИЯ ПУЛИ С ПОМОЩЬЮ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРЕНИЯ И ВИДЕОФИКСАЦИИ ПОЛЕТА
А.А. Громов, Е.И. Минаков, М.А. Чашечников, В.И. Петренко, А.С. Ишков
Знание условий попадания имеет решающее значение для оценки ударных характеристик снаряда. Для пули малого калибра скорость полета в воздухе десятилетиями точно измерялась с помощью детекторных экранов, но точная количественная оценка ориентации пули на цели была более сложной задачей. В этом отчете представлен метод автоматизированной фотограмметрии стрелкового оружия (ASAP), используемый для измерения, моделирования и прогнозирования ориентации пули малого калибра до достижения поверхности удара. ASAP использует передовое оборудование, разработанное компанией «Sydor-Technologies», для записи серии цифровых фотографий в инфракрасном диапазоне. Отдельные изображения (четыре ортогональные пары) обрабатываются с использованием алгоритмов компьютерного зрения для количественной оценки ориентации снаряда и переназначения его точного положения и ориентации в трехмерную фиксированную систему координат. Модель эпициклического движения соответствует измеренным данным, и эпициклическое движение экстраполируется на целевое местоположение. Результаты анализа являются достаточно мгновенными и могут быть пересмотрены во время тестирования. Демонстрационные испытания показали, что возможность прогнозирования угла удара составляет менее шести сотых градуса для испытанного шарового патрона диаметром 5,56мм.
Ключевые слова: рыскание, терминальная баллистика, внешняя баллистика, испытание и оценка, компьютерное зрение, обработка изображений, угол атаки.
Введение. При попадании в цель конечные баллистические характеристики снаряда сильно зависят от множества факторов, включая: скорость удара, ориентацию пули, конструкцию пули, состав мишени, ориентацию мишени и геометрию испытания. Ориентацию мишени легко контролировать, поскольку при испытании боеприпасов малого калибра (диаметр гравировки менее 20 мм) мишень обычно неподвижна. Скорость пули десятилетиями измерялась с помощью экранов обнаружения света, которые имеют хорошо зарекомендовавшую себя точность. Ориентация пули, однако, является более сложной частью информации для точной количественной оценки.
Существует два важных аспекта ориентации на воздействие, которые должны быть определены. первым является угол наклона, который представляет собой угловую разность между вектором нормали к поверхности мишени и вектором скорости летящего снаряда [1]. Для большинства снарядов проникающего типа эффективность пробивания улучшается по мере того, как угол наклона приближается к нулю. Во время тестирования углом наклона можно управлять, ориентируя поверхность мишени так, чтобы она была перпендикулярна траектории пули в месте попадания.
Другим аспектом ориентации удара, который следует учитывать, является угол атаки (AoA). AoA - это разность углов между вектором скорости снаряда и его продольной осью, также известная как направление наведения. Во время полета продольная ось аксиально-симметричного снаряда, стабилизированного вращением, вращается вокруг своего вектора пяти координат по схеме известной как эпициклическое движение. Это будет подробно рассмотрено позже в этом отчете [2]. При оценке ударного воздействия профессионального снаряда на цель, AoA имеет особое значение, поскольку более низкие значения AoA приводят к улучшению пробивных характеристик [3].
400
В следующем разделе этого отчета описываются обычные методы, используемые для измерения ориентации снарядов в направлении полета. В следующем разделе представлен метод автоматической Фотограмметрии фотографий стрелкового оружия (ASAP), предлагающий обзор процедуры калибровки, алгоритмов анализа изображений с помощью компьютерного зрения, трехмерной повторной проекции и процесса, используемого для приведения измерений в соответствие с моделью эпициклического движения. В следующем разделе приведены примеры данных, собранных во время недавнего теста стрельбы. Серия исследований, проведенных для оценки точности метода (ASAP). Первый заключительный раздел содержит выводы этого исследования.
Существует несколько традиционных методов, используемых для измерения ориентации малокалиберной пули в полете. Карты рыскания [4], которые изготавливаются из пластика, бумаги или картонно-подобных материалов, размещаются в различных местах вдоль траектории. Форма отверстия, проделанного в карточке после прохождения пули, затем сравнивается с шаблоном, чтобы оценить угол ориентации в этом месте. Эти оценки очень приблизительны по точности, особенно для снарядов малого калибра. Настройка и последующая обработка карт рыскания также часто является исчерпывающей, поскольку для каждого снимка обычно требуются новые карты. В некоторых ситуациях может оказаться невозможным разместить карты рыскания в месте удара, поскольку повреждения от отколовшихся компонентов могут повлиять на форму отверстия.
Еще один распространенный подход предполагает использование «тангаж и рыскание» высокоскоростной видеокамеры Гарт. [3]]. Для этого в целевом местоположении устанавливаются системы видеокамер для записи изображений пули до попадания. Настройка этих систем вместе с лампочками освещения может быть исчерпывающей. После теста результаты обычно анализируются оператором, нажимающим на различные точки снаряда. Было обнаружено, что этот тип анализа требует дней (а не недель) сокращения объема данных, и даже при надлежащей калибровке его трудно, с точки зрения точности, проверить. Из-за сколов при ударе эти дорогостоящие системы камер должны быть защищены толстым пуленепробиваемым стеклом, что может ухудшить результаты и еще больше усложнить настройку. Иногда может использоваться псевдо-автоматическое программное обеспечение для анализа изображений, чтобы уменьшить зависимость от ручного выбора ключевых точек [5].
Более сложные методы измерения ориентации включают теневые снимки и рентгенограммы. Эти изображения генерируются кратковременными импульсами света или рентгеновскими лучами, которые похожи на фотографии. Эти изображения собираются между кадрами, оцифровываются, а затем обрабатываются относительно шаблона или фонового материала для разработки истории ориентации и позиционирования на каждой станции. Сообщалось, что погрешности этих систем находятся в пределах 0,14° на данной станции относительно волоконного провода, что приводит к точности попадания в цель от 0,24° до 0,41° [6]. Некоторые дальномеры (SPARK) обладают еще большей точностью при попадании в цель, поскольку в них может быть более 30 станций теневой графики. Однако время, необходимое для анализа, может быть значительным из-за ручного сбора и оцифровки данных.
Крупногабаритные боеприпасы, такие как артиллерийские и минометные снаряды, могут иметь встроенную аппаратуру для измерения ориентации с помощью инерционных датчиков или датчиков поворота при солнечном освещении [7]. Эти системы, хотя и точные, являются дорогостоящими и обычно одноразового использования. Такие системы слишком велики для использования с боеприпасами малого калибра, как описано в статье [5].
Наконец, был разработан метод автоматического анализа видео запуска (ALVA) для обработки движущихся в поле зрения (FOV) снарядов крупного калибра с высоким разрешением. Эта система использует методы компьютерного зрения для анализа видеозаписей с ортогональных просмотров при запуске. В каждом видеокадре форма снаряда определяется типичной точностью до суб-пикселя. Когда эти данные объединяются, можно измерить начальную историю ориентации снаряда. Было показано, что температура системы (ALVA) составляет примерно 0,1° [8]. (ALVA) был первоначально разработан, чтобы определить центр РСТ максимальное отклонение артиллерийских снарядов, но была расширена за счет эффективного определения скорости вращения, аэродинамический коэффициент, стабильность показателей, и трансформация формы в полете [9, 10].
Анализ автоматической фотограмметрии стрелкового оружия (ASAP). В 2014 году инженеры с Арсенала Пикатинни приобрели сложную систему хронометража в комплекте с осветительным оборудованием от «Sydor-Technologies» [11]. Собранная структура системы «Sydor», которая будет называться «порталом», она использует свет в качестве детектора импульсов от экрана скорости (расположенного выше портала) для последовательного запуска инфракрасных стробоскопов, когда пуля летит вниз. Во время этих кратких вспышек системы камер (модель (Союзное Видение) Allied Vision Prosilica GC 1380) записывают изображения пули в полете в оттенках серого с высоким разрешением. В текущей портальной системе имеется четыре станции, каждая из которых оснащена двумя стробоскопами, которые освещают поле зрения двух ортогональных камер. В настоящее время имеется 4 станции (каждая на расстоянии 470 мм) друг от друга, дающие восемь изображений (четыре ортогональные пары) за кадр. Иллюстрации и фотография портальной системы показаны на рис. 1.
Рис. 1. Портальная система Sydor в Арсенале Пикатинни
401
Образцы изображений некоторых из различных типов боеприпасов, испытанных на сегодняшний день, показаны на рис. 2. Обратите внимание на четкость изображений с высоким разрешением (1360 x 1032 пикселей), на которых даже видны трещины на гильзах пуль (образовавшиеся в процессе гравировки во время запуска). Разрешение, контрастность и фокусное расстояние систем камер более чем достаточны для того, чтобы точно измерить ориентацию, что будет обсуждаться далее в этом отчете.
i.Jtcnm VK55 7.63fflre*51ttim NATO 'irnmMSK?
РПП
Рис. 2. Образцы фотографий различных типов боеприпасов, протестированных с использованием ASAP: 5.6 мм
(М855); 7.62мм (НАТО); 9мм (М882)
В начале каждого испытания боеприпасов портал вкатывается на кольцевой полигон и выравнивается по линии огня при помощи домкратов, расположенных в нижней части портальной системы. После установки система фиксируется на месте, и проводится процедура калибровки, прежде чем круги могут быть окрашены в красный цвет.
Обзор процедуры калибровки. Целью процедуры калибровки является разработка критических преобразований для каждой системы камер, которые связывают координаты пикселей с системой координат диапазона ДОЗ). Это начинается с осмотра дула орудия, цели и различных экстремальных точек портальной системы для определения их местоположения в R3. Это позволяет определить положение каждой камеры (отношения к наблюдаемым точкам экстремумов портала известны априори). Аналогичным образом, калибровочный стержень устанавливается на портале и исследуются его точки экстремума. Калибровочный стержень содержит прозрачная пластиковая пластина, которая появляется в поле зрения каждой системы камер. Пластины содержат матрицу точек, которые напоминают темные круги при освещении инфракрасными стробоскопами, как показано на рис. 3.
1 1
Рис. 3. 2Б калибровочная пластина (слева), калибровочное изображение образца (в центре) и калибровочная
точка, идентифицирующая катион (справа)
Поскольку положения точек известны относительно наблюдаемых экстремумов на калибровочной линейке (из априорной калибровки с помощью координатно-измерительной машины), также известно положение каждой точки в R3. В это время для каждой камеры записываются калибровочные изображения. Эти изображения обрабатываются с помощью автоматизированных алгоритмов компьютерного зрения, которые полагаются на анализ преобразования кругов для поиска точек на изображениях [121. Поскольку одна из точек на каждом изображении больше остальных, простой алгоритм сортировки идентифицирует каждую отдельную точку. Знание положения R3 каждой найденной точки и суб-пиксельных координат центра каждой найденной точки позволяет вычислить преобразование между координатами изображения (XY) и R3 (привязанными к плоскости калибровочной пластины). Этот процесс автоматически корректирует смещение камеры, перекос в соотношении сторон и некоторые типы аберраций объектива. Сферические аберрации также могут быть исправлены, если системы фотообъективов предварительно отка-либрованы (современные камеры предварительно не откалиброваны из-за особенностей работы с ИК-подсветкой). Подробный алгоритм калибровки и матричная алгебра, связанные с этим процессом, подробно описаны в статье
[13].
Процедура настройки камеры, съемки и калибровки занимает всего 30 минут, если выполняется командой из двух опытных операторов системы (ASAP). После завершения калибровочная планка снимается, и можно приступать к тестированию боеприпасов.
Анализ компьютерного зрения. Когда пуля проходит через портал, делаются фотографии, на которых отображается силуэт пули. Эти изображения анализируются с использованием адаптированной версии запатентованного метода (ALVA). Этот подход использует обнаружение границ и морфологические операции для сегментирования пикселей, соответствующих форме маркера. Затем распределение этих пикселей анализируется для определения расположения центра тяжести, основания и носа, а также наблюдаемого угла тангажа (как описано в статье [8]). Единственное изменение, внесенное в (ASAP), - это способ измерения центра тяжести (CG). Поскольку снаряд может отклоняться на несколько градусов по направлению к камере или в сторону от нее, может случиться так, что значительная часть основания снаряда будет видна на фотографии, что затруднит поиск точных измерений положения основания вдоль оси снаряда. К счастью, ортогональное поле обзора с гибкой камерой (на этой станции) обеспечивает измерение угла наклона к другой камере или от нее. Таким образом, вместо использования простого отношения известного расстояния CG от основания к носу, может быть использован поправочный коэффициент, основанный на величине рыскания в сторону камеры или в сторону от нее. Это позволяет получить еще более точную оценку истинного местоположения пули на CG (улучшение на 1-2%) в координатах изображения. Соотношения между углом рыскания по направлению к камере и от камеры и местоположением CG были определены эмпирически с использованием компьютерных конструкторских моделей, адаптированных к типу испытываемого снаряда. Базовая
эмпирическая зависимость справедлива для большинства обычных форм пуль, но для экстремальных случаев, таких как снаряды странной формы, снаряды с ребрами или снаряды с шипами (9 мм пули) эту взаимосвязь следует проверить использованием изображений из программного обеспечения для компьютерного 3D-проектирования.
Точки идентифицируются в каждом изображении, а затем преобразуются в R3 координаты через камеру уникальные преобразования. Затем можно нарисовать вектор изображения от фокусной точки камеры до отдельной ключевой точки, возможно, проходящий через плоскость, где находилась калибровочная пластина. Конечное перепроектированное положение R3 ключевой точки вычисляется как пересечение двух воображаемых векторов по методу наименьших квадратов от двух ортогональных камер на этой станции, как показано на рис. 4.
Camn-Tii I ir- j v,c
Nmtf
( (i пи tfitiniaif
CG wmcitcd
ПН1ЛП
HndlnyRtf Piictl «
Иоплчш! icffieixe
+
KcypoiiH location к' 3D
Рис. 4. Проанализированные пары изображений (слева) и трехмерная перепроекция ключевых точек (справа)
Заключительным этапом в процессе анализа компьютерным зрением является определение ориентации снаряда в R3. Можно оценить это значение, взяв R3 проекции носа снаряда и вычтя R3 проекции основания снаряда или CG. Однако существует значительно более точный способ сделать это. Это связано с тем, что положение любой ключевой точки вдоль оси снаряда известно только на расстоянии в один пиксель, что для Геометрия и камеры, используемые в (ASAP), составляют примерно 0,045 мм. Однако наблюдаемый угол наклона на 2D-изображениях измеряется на основе полярного распределения, близкого к 100 000 пикселям. Поэтому вместо вычитания двух ключевых точек в R3 для определения ориентации используется более точный алгоритм, который, по существу, проецирует вектор ориентации в точке CG на 2D-изображении в плоскость 3D-изображения. Из эксперимента с использованием алгоритма ALVA на изображениях, сгенерированных компьютером, с разрешением менее половины этого (количество пикселей вдоль оси снаряда), ошибка составляет менее 1E-40, что указывает на то, что осевое разрешение (в пикселях) более чем достаточно Кроме того, контраст между формой снаряда и фоном на сегодняшний день не привел к возникновению заметных проблем с сегментацией.
Чтобы визуализировать процесс измерения суб-пиксельной угловой ориентации (направления наведения), рассмотрим плоскость, генерируемую в R3 для каждой камеры, которая содержит фокусную точку камеры, ключевую точку CG и вектор ориентации. Пересечение этих двух плоскостей с двух дополнительных камер, таким образом, представляет вектор ориентации пули и оценивается в разрешенном местоположении CG.
Примерное эпициклическое движение. Точное местоположение и ориентация пули в каждой из четырех точек затем фиксируются в соответствии с линеаризованной аэробаллистической моделью снаряда. Для этого сначала должен быть рассчитан вектор скорости пули. Это делается путем определения прямой линии, проходящей через четыре разрешенных местоположения CG на R3. Экспериментально это приводит к погрешностям расстояния менее 0,04 мм, что чрезвычайно мало, учитывая расстояние между станциями камер 470 мм.
Как только вектор скорости определен в R3, он вычитается из каждого из разрешенных векторов ориентации из четырех станций для определения вектора относительного направления наведения, P. Затем измеренные значения тангажа и рыскания могут быть рассчитаны следующим образом:
шаг измеренный = tan_1(PDR/PUP)p рыскание измеренный = tan
где индексы UP, DR и CR соответствуют направлениям вверх, вниз и поперек диапазона в системе координат диапазона. Разумно предположить, что уменьшение скорости из-за лобового сопротивления относительно незначительно в промежутке полета самолета, захваченного внутри портала. Также предполагается, что скорости быстрых и медленных эпициклических колебаний фактически постоянны в пределах зоны измерения. Однако величины эпициклических колебаний могут быть смоделированы либо как затухающие, либо как незатухающие. В случае затухающих колебаний, значения давления, которые описывают ожидаемые эпициклические тангаж (a) и рыскание (b) в зависимости от дальности, следующие:
avitCh = cos(4>fo + фР(х - x0)) + К5е~А^х-х°) cos(4>so + ф5(х - x0)),
pvaw = sm(<pF0 + фР(х - x0)) + Kse~As(*-*°) srn(<pso + фБ(х - *„)).
Эти значения определяются исходя из аэродинамических и инерционных характеристик пули в сочетании со скоростью вращения пули. такие значения обычно генерируются с помощью программного обеспечения для баллистики, такого как (PRODA), но также могут быть оценены с помощью тестирования дальности действия искры [15, 161. Скорость полета (измеряется с помощью экрана скорости рядом с порталом) используется для определения параметров движения из таблиц справочных данных, составленных перед тестированием. Переменные Kf, Ks являются амплитудами быстрой и медленной мод, которые наряду с угловыми сдвигами фазы (4 F0, 4 sü) определяются путем минимизации функции ошибок:
Ошика "^(Дизмеренный ^рыскание},
который вычисляется с помощью любого доступного решателя. (ASAP) использует функцию из MATLAB которая используется в (MATLAB) для поиска информации. Чтобы повысить шансы быстрого определения точного решения, начальные условия определяются с использованием подхода, аналогичного тому, который предложен в статье [141 и подробно обсуждается в статье [131. Как только функция ошибки сведена к минимуму, условия воздействия легко вычисляются путем экстраполяции. При подходящих начальных предположениях процесс подбора является надежным. Для большинства снимков требуется всего несколько секунд. Пример результатов представлен на рис. 5.
Final results: AoAiirlhe impact plate is: 0.677°
2
1 1 о ч / о M«inj«d orkwtiiilw'i'poinii \ J Final precision Tit — Final cpicyclic Fit Лол measured —• Final ЛоЛ Fit * Impact plate . ■ GcJ block , 1 1 0
£ -1 £ -1
-2 _2
0 1 2 3 4 5 6 -г -10 12
Relative do-vwirangc dlctanceAn Yaw (0У(а> Рис. 5 Пример результатов проведенного исследования пули
Оценка точности. Количественная оценка точности системы AsAP не является прямым процессом. Это стало особенно культовым, потому что точность системы, как полагают, значительно лучше, чем у любого другого обычного метода, доступного на заводе оружейных технологий Арсенал Пикатинни. Из эксперимента следует, что каждый раз, когда круг становится красным, визуально кажется, что измеренное движение выполняется правой рукой эпициклическое движение, как и ожидалось. Существуют и другие очевидные показатели, которые также указывают на правильность работы алгоритма, такие как повторная прогнозируемая длина между носом и основанием, соответствующая известной длине снаряда с точностью до 0,2 мм на каждой станции, а в результате измерения скорости получается прямая линия с небольшими отклонениями менее 1 мм, но всегда в направлении вектора ориентации (что ожидается из-за подъемной силы, известной как эпициклический разворот). Эти отклонения коррелируют с наихудшими ошибками при измерениях угла наклона, меньшими 0,02°.
Дополнительные источники ошибок измерения АОА должны быть идентифицироваться и оцениваться так же. Возможные ошибки возникают из-за множества источников, включая неправильные калибровочные измерения, отклонения от базовой аэробаллистической модели от раунда к раунду и даже асимметричную геометрию самих пуль. В этом разделе мы оценим ошибку системы, используя несколько подходов.
Измерение теоретической погрешности ориентации. В дополнение к уже перечисленным источникам ошибок, в программном обеспечении ASAP присутствует ошибка округления и оценки. Перед вычислением результатов существует ряд первого типа наименьших квадратов, которые используются в процессах калибровки и обследования. Кроме того, преобразование ключевых точек в R3 включает в себя линейный метод наименьших квадратов двух проекционных векторов. Наконец, вектор скорости - это по методу наименьших квадратов из разрешенной истории положения CG, а модель эпициклического движения - это наискорейшего снижения, управляемая численно, которая никогда не соответствует измеренным данным. Эти типа наименьших квадратов в основном служат для «сглаживания» данных, но также могут приводить к ошибкам.
Поэтому, чтобы оценить точность способности ASAP прогнозировать условия столкновения, сначала необходимо проверить точность на каждой станции. Для этого исследуется погрешность в линейном решении методом наименьших квадратов между двумя ошибками перепроектирования CG. Из всех снимков, проанализированных с использованием текущей версии ASAP, наибольшая ошибка наименьших квадратов составила примерно 0,023 мм. Однако более тщательное изучение показало, что почти 95% этой ошибки приходится на понижающий диапазон, при этом менее 5% этой ошибки приходится на поперечный (вверх и поперечный диапазон). Сначала это озадачивало, пока не было понято, что эта ошибка почти полностью связана с процессом определения того, где расположена ключевая точка вдоль оси снаряда на 2D-изображении. Как указывалось ранее в этом отчете, точность измерения ориентации сегментированной формы пули на каждой фотографии на порядки выше, чем определение положения CG, носа или основания вдоль оси снаряда, поэтому, хотя местоположение вектора оси снаряда может быть определено с невероятной точностью, расположение ключевых точек вдоль этой оси может быть определено только с точностью примерно до одного пикселя. Следовательно, имеет смысл, что почти вся ошибка повторной проекции происходит в направлении уменьшения диапазона, и еще более разумно, что величина этой ошибки составляет примерно половину размера пикселя в наихудшем случае (0,045 мм). Поскольку расстояние между станциями для этих экспериментов составляло 470 мм, погрешность проекции CG в направлении уменьшения диапазона практически ничтожна при определении вектора скорости.
Однако ошибки проекции в поперечных направлениях важны, поскольку они вносят свой вклад в ошибки измерения угла ориентации. Как описано в предыдущем разделе, используя вместо прогнозируемых нос и CG местах в R3 для измерения ориентации вектора, то вместо этого вычисляется как пересечение быть между самолетами, содержащий спроецированы кг положении, 2Д вектор направленности (на калибровку самолета) и камеру координатора. Это также может быть достигнуто путем проецирования дополнительной ключевой точки «направления», которая находится на расстоянии одного пикселя от CG в направлении 2D измерения ориентации на изображении. Поскольку эта ключевая точка курса основана на положении CG вдоль оси снаряда, ошибки перепроектирования в осевом направлении остаются теми же, и сохраняется только разница в ошибках поперечной проекции.
При заходе на посадку в этой «ключевой точке курса» наибольшая максимально возможная ошибка угла (из ошибок повторной проекции методом наименьших квадратов во всех направлениях) составила 0,08°. Поскольку мы знаем, что при таком разрешении алгоритм обработки изображений демонстрирует точность, которая лучше, чем ошибка в 0,001° (на градус угла тангажа) [Ссылка [8]] для изображений с разрешением менее половины (пиксели вдоль оси снаряда), полученных с использованием «Sydor», предполагается, что качество цифровых фотографий достаточно, и подавляющее большинство ошибок присутствует в преобразовании повторной проекции, которое устанавливается в процессе съемки. Проблема возникает из-за использования измерительного оборудования на большие расстояния для обследования портала и калибровочной планки. Это оборудование выдает погрешность измерения в 0,0006° в горизонтальном азимутальном и зенитно-угловом направлениях и точность измерения длины 1,52 мм. При преобразовании в диапазоне системе координат (которая измеряется от примерно 4 м), эта точность соответствует ошибке в стрелковой позиции направлением, высотой приблизительно до 1,50 мм и ошибки в кросс-спектр и направления 0.022 мм. Было обнаружено, что искажение результатов съемочных измерений на эти величины приводит к погрешности примерно в 0,05° в измерениях тангажа и рыскания на данной станции для одного и того же набора входных изображений.
Сравнение с ручным анализом высокоскоростной камеры. В настоящее время проводятся усовершенствования процедуры съемки, которые включают съемку большего количества опорных экстремумов для дальнейшего уменьшения ошибок калибровки. Поскольку требуется калибровка в субмиллиметровом диапазоне, предпринимает усилия по замене текущей двухэтапной процедуры съемки на ту, при которой калибровочные пластины обращены ко всем камерам одновременно. Это исключит возможность перемещения портала между калибровками дополнительных камер. Сравнение с ручным анализом высокоскоростной камеры
В сентябре 2016 года в Арсенале Пикатинни было проведено испытание, в ходе которого несколько патронов калибра 5,56 мм были выпущены красным по различным поражаемым целям. Во время этих испытаний обычный анализ тангажа и рыскания проводился вручную для всех раундов, в ходе которых было собрано качественное высокоскоростное видео столкновения с целью (на обработку которого ушло много дней).
Результаты ASAP относительно близки к традиционному анализу, поскольку среднее расхождение методов составило 0,20° при стандартном отклонении 0,73°. Это расхождение может показаться значительным, однако это ожидаемо, поскольку точность обычного анализа, как полагают, составляет 1,9° [Ссылка на [3]] для наилучшего достижимого разрешения высокоскоростных камер (30 пикселей). Характеризующие влияние угла пулей за исключением случаев резкое улучшение в осевом разрешение возможно. Следовательно, для дальнейшей оценки точности метода ASAP необходимы более сложные анализы.
Исследование чувствительности измерений и экстраполяции. Конечной целью анализа ASAP является оценка угла поражения цели на меньшем расстоянии. Тестирование с помощью системы «Sydor» включает в себя различные мишени, некоторые из которых должны располагаться более чем на метр за порталом, чтобы предотвратить повреждение оборудования. Поскольку цель расположена дальше от портала, способность ASAP точно предсказать условия столкновения быстро снижается. Поскольку AoA может изменяться на много градусов всего за один метр хода, важно расположить портал относительно близко к точке удара.
Было проведено углубленное имитационное исследование типа Монте-Карло для оценки чувствительности ошибок угла наклона станции и того, как они соотносятся с прогнозируемыми условиями столкновения на расстояниях 0,1 м, 0,5 м, 1,0 м и 2,0 м за последней портальной станцией. Для этого были сгенерированы две номинальные эпициклические траектории, одна с относительно большими значениями общего AoA (6,0°) и одна с относительно небольшими значениями общего AoA (2,0°). Ожидаемые значения тангажа и рыскания на каждой станции были определены на основе этих номинальных траекторий. На каждой итерации моделирования истинные значения тангажа и рыскания на каждой станции были искажены небольшими ошибками в диапазоне от ±0,08° с шагом 0,01°. Всего было рассмотрено 40 320 комбинаций возможных возмущений. Наихудший результат по углу удара в любой из этих комбинаций привел к разнице между прогнозируемым AoA и номинальным AoA в 0,135°. Интересно, что результаты как для траекторий с высоким, так и для траекторий с низким AoA были настолько схожи, что данные практически полностью совпадали, предполагая, что прогнозы угла атаки при ударе не слишком чувствительны к величине начального движения. Также было рассчитано стандартное отклонение этих ошибок на расстояниях экстраполяции каждой цели. Было обнаружено, что наибольшее стандартное отклонение (из этих расстояний) у цели составляет менее 0,06°, как показано на рис. 6.
f 0.07 1" 0.06 5 0.05 £ 0.04 5 о.оз
Ц> 0.02 ~ 001 £ ' -о- "High angle" Case " "Low angle" Case
^ 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 Я.О
Корпус с «Низким углом наклона» дальнобойность от пушки/м (портал заканчивается на высоте 5,5м)
Рис. 6. Результаты исследования чувствительности измерения угла (результаты перекрываются)
В заключительном этапе исследование также проведено, где экспериментальные ориентации измерений от трех станций была использована для прогнозирования ориентация на четвертом. Это было сделано во многих итерациях, что позволило каждой станции быть пропущенной точкой данных. Исходя из этого анализа, ошибка в прогнозировании AoA на четвертой станции составила в среднем примерно 0,22°. Этот результат говорит о том, что алгоритм работает, но также демонстрирует, что использование данных только трех станций приводит к ошибке в процессе аэробаллистического определения. Поскольку результаты кажутся намного лучшими при использовании всех четырех станций для наилучшего представления продемонстрированной точности системы было принято значение в одну сигму, полученное в результате исследования погрешностей измерений и экстраполяции.
Выводы. Метод анализа ASAP значительно быстрее любого другого доступного метода тестирования. Это также делает его недорогим вариантом тестирования малокалиберных боеприпасов, особенно по сравнению с другими методами, которые требуют обширной ручной настройки и последующей обработки. Автоматизированный характер анализа позволяет оценивать результаты на месте в считанные секунды после звонка. Как было продемонстрировано, точная методика калибровки и сложные алгоритмы компьютерного зрения позволяют оценить AoA цели с точностью 0,06° Измерения угла наклона являются еще более точными, поскольку они представляют собой просто наклон линии скорости (при условии, что поверхность цели ортогональна направлению снижения дальности).
Модульный характер системы ASAP/Sydor в сочетании с возможностью расширения программного обеспечения в конечном итоге позволит использовать несколько порталов совместно. Также изучается возможность получения нескольких изображений пули с каждой камеры. Алгоритмы ASAP в настоящее время основаны на ранее установленных аэродинамических и инерциальных характеристиках боеприпаса. Однако увеличение числа измерительных станций (или удвоение количества точек данных, собираемых на каждой станции) в конечном итоге позволит получить полную аэродинамическую характеристику новых экспериментальных боеприпасов, которая может быть проведена на месте точным и полностью автоматизированным способом.
405
Список литературы
1. Carlucci D, Jacobson S. Ballistics: theory and design of guns and ammunition. Boca Raton, FL: CRC Press;
2008.
2. McCoy R. Modern exterior ballistics: the Launch and flight dynamics of symmetric projectiles. Atglen, PA: Schiffer Publishing; 1999.
3. Minisi M, Spickert-Fulton S. Angle of attack at impact and its effects on terminal effects testing. Picatinny Arsenal, NJ: U.S. Army Armament Research, Development, and Engineering Center; January 2004.
4. Use of yaw cards during projectile development, 2010. South Burlington, VT: Arrow Tech Associates, INC.; Jul. 2010. White Paper.
5. Decker R. A computer vision-based method for artillery characterization. Doctoral Dissertation. Monterey, CA: Naval Postgraduate School; December 2013.
6. Ehlers T, Guidos B, Webb D. Small-caliber projectile target impact angle determined from close proximity radiographs. Aberdeen Proving Ground, MD: Army Research Laboratory; Oct. 2006. ARL-TR-3943.
7. Davis B, Guidos B, Harkins T. Complementary roles of spark range and onboard free-flight measurements for projectile development. Aberdeen Proving Ground, MD: Army Research Laboratory; Aug. 2009. ARL-TR-4910.
8. Decker R, Kolsch M, Yakimenko O. An automated method for computer vision analysis of cannon-launched artillery video. ASTM J Test Eval December 2013;42(No. 5).
9. Decker R, Kolsch M, Yakimenko O. An automated method for computer vision analysis of cannon-launched artillery video. ASTM J Test Eval December 2013;42(No. 5).
10. Decker R, Duca M, Hooke R. Aerodynamic coefficient measurement using Launch video analysis of sabot-equipped projectiles. In: Proceedings of the 2014 joint classified bombs/warheads & ballistics symposium. Monterey, CA: NDIA; August 2014.
11. Sydor Technologies. Sabre Ballistics. http://sydortechnologies.com/-ballistic- impact-testing/external-ballistics/. Accessed December 2016.
12. Hough PVC. Machine analysis of bubble chamber pictures. In: Proceedings of the international conference ofhigh energy accelerators and instrumentation; 1959.
13. Decker R, Duca M, Fischer C, Neira H, Spickert-Fulton S, Schaarschmidt K. Automated small-arms Photo-grammetry (ASAP) method for measurement of bullet impact conditions. Picatinny Arsenal, NJ: U.S. Army Armament Research, Development, and Engineering Center; February 2016 [in edittingl.
14. Ehlers T. Selecting the spacing of close proximity radiographs to determine the angle of attack at target impact. Aberdeen Proving Ground, MD: Army Research Laboratory. ARL-TR-4180; July 2007.
15. Prodas software. South Burlington, VT: Arrow Tech Associates; 1999. V3.
16. Guidos B. «Aerodynamics of denel 105mm XM2019 projectile obtained from spark range firings» ARL-TR-5187. Aberdeen Proving Ground, MD: Army Research Laboratory; July 2004.
17. MATLAB. Natick, Massachusetts: The MathWorks Inc; 2011
Громов Алексей Александрович, курсовой офицер - преподаватель, соискатель, [email protected], Россия, Пенза, Филиал Военной академии МТО имени генерала армии А.ВХрулева,
Минаков Евгений Иванович. д-р техн. наук, профессор, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чашечников Михаил Александрович, канд. техн. наук, преподаватель, Россия, Пенза, Филиал Военной академии МТО имени генерала армии А.ВХрулева,
Петренко Виктор Иванович, канд. техн. наук, заместитель начальника кафедры, Россия, Пенза, Филиал Военной академии МТО имени генерала армии А.ВХрулева,
Ишков Антон Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Пнза, Пензенский государственный университет
INVESTIGATION OF CONDITIONS AND EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF A BULLET HIT USING AUTOMATED MEASUREMENT AND VIDEO RECORDING
OF FLIGHT
A.A. Gromov, E.I. Minakov, M.A. Chashechnikov, V.I. Petrenko, A.S. Ishkov
Knowledge of the hit conditions is crucial _ for assessing the impact characteristics of the projectile. For a small-caliber bullet, airspeed has been accurately measured using detector screens for decades, but accurately quantifying the orientation of the bullet to the target was a more difficult task. This report presents an automated small arms photogramme-try (ASAP) method used to measure, simulate and predict the orientation of a small caliber bullet before reaching the impact surface. ASAP uses advanced equipment developed by the company "Sydor-Technologies" to record a series of digital photographs in the infrared range. Individual images (four orthogonal pairs) are processed using computer vision algorithms to quantify the orientation of the projectile and reassign its exact position and orientation to a three-dimensional _ fixed coordinate system. The epicyclic motion model corresponds to the measured data, and the epicyclic motion is extrapolated to the target location. The results of the analysis are quite instantaneous and can be reviewed during testing. Demonstration tests have shown that the possibility of predicting the angle of impact is less than six hundredths of a degree for a tested ball cartridge with a diameter of 5.56 mm.
Key words: yaw, terminal ballistics, external ballistics, testing and evaluation, computer vision, image processing, angle of attack.
Gromov Alexey Alexandrovich, course officer - teacher, applicant, [email protected], Russia, Penza, Branch of the Military Academy of the MTO named after Army General A. V.Khrulev,
Minakov Evgeny Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Tula, Tula State University,
Chashechnikov Mikhail Aleksandrovich, senior lecturer, Russia, Penza, Branch of the Military Academy of the MTO named after Army General A. V.Khrulev,
Petrenko Viktor Ivanovich, candidate of technical sciences, deputy head of the department, Russia, Penza, Branch of the Military Academy of the MTO named after Army General A. V. Khrulev,
Ishkov Anton Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, asihkov@mail. ru, Russia, Pnza, Penza State
University
УДК 621.396.962
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-407-408
РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОННОГО БЛОКА ЗАМЕДЛЕНИЯ СРАБАТЫВАНИЯ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО РАДИОВЗРЫВАТЕЛЯ В РЕЖИМЕ ЗАПРЕГРАДНОГО ДЕЙСТВИЯ
Ф.Ф. Плескачевский, С.А. Куканов, М.С. Воротилин, А.Г. Елистратова
В статье рассмотрена реализация автономного электронного блока замедлителя срабатывания артиллерийского радиовзрывателя в режиме запреградного действия.
Ключевые слова: взрыватель, действие, взрыв, автономный блок.
Введение. Развитие современных артиллерийских комплексов идет по пути автоматизации подготовки к выстрелу, а также применения более широкой номенклатуры боеприпасов, решающих различные задачи.
Применение таких комплексов невозможно без создания электронных многорежимных и многофункциональных взрывателей для всей номенклатуры применяемых боеприпасов. При создании многорежимных взрывателей одной из наиболее сложной на сегодняшний момент задачей является обеспечение взрывателем режима контактного замедленного действия, т.е. срабатывания взрывателя артиллерийского снаряда после преодоления преграды через определённое время (от 4 до 18 мс) после контакта с преградой. Подобная задача решалась ранее, при разработке контактных взрывателей путем введения в его огневую цепь пиротехнического замедлителя.
Разработка автономного электронного блока замедления срабатывания артиллерийского радиовзрывателя. Для современного многорежимного радиовзрывателя являющегося электронным устройством поставленная задача впервые была решена с помощью электронного блока замедления срабатывания взрывателя. Сложность реализации поставленной задачи с помощью электронного блока, при размещении взрывателя в головной части снаряда, заключается в обеспечении его работоспособности после воздействия на взрыватель ударных перегрузок, при преодолении снарядом преграды.
Учитывая это, электронный Блок замедления срабатывания был размещен в резьбовой втулке взрывателя, отделив ее стальной перегородкой от верхней части взрывателя, которая полностью разрушается при встрече с преградой. Поскольку бортовой источник тока, который обеспечивает электрической энергией всю электрическую схему, расположен в разрушаемой части радиовзрывателя. Блок замедления срабатывания должен иметь автономный запас энергии для обеспечения своей работы с момента контакта с преградой до момента выдачи исполнительной команды. На рисунке 1 представлена структурная схема Блока замедления срабатывания, обеспечивающая следующие виды действия:
- мгновенное действие;
- малое замедление 4 - 8 мс;
- большое замедление 15 - 25 мс.
Выбор режима работы схемы осуществляется перед выстрелом с помощью внешнего установщика.
от источниа
СТАБ
команда на большое замедление
режим работы
от ударного
Большое замедление
Блокировка
мгновенного
действия
КБМД
НЕ (>■
команда на заряд цепи замедления
Рис. 1. Структурная схема блока замедления срабатывания
407
