Разработка системы на основе световых экранов для определения внешнебаллистических параметров

Применение систем определения внешнебаллистических параметров пуль при условии полного и точного измерения траектории полета пули обеспечивает объективность и достоверность контроля на стадии приемо-сдаточных испытаний и сокращение сроков испытаний. Такой контроль требует оценки параметров конкретного выстрела с высокой точностью за минимальное время. Одновременное точное измерение совокупности внешнебаллистических параметров позволяет получить информацию о качестве испытуемого изделия при минимальном числе выстрелов, что обеспечивает сокращение времени и экономию боеприпасов.

Основными внешнебаллистическими параметрами пули являются начальная скорость V0, баллистический коэффициент с, а также координаты точки попадания пули. Определение скорости и баллистического коэффициента необходимо при проведении различных видов испытаний (для оценки качества оружия, пуль и порохов и т. д.). Разработка эффективных алгоритмов определения скорости пули и ее баллистического коэффициента одновременно с оценкой точности и кучности стрельбы позволит существенно повысить информативность испытания, надежность и качество контроля стрелкового оружия и боеприпасов, уменьшить нагрузку на окружающую среду, снизить стоимость испытаний.

Изучением полета пуль и снарядов занимались Тарталья, Галилей, Ньютон, Робине, Эйлер, Магнус, Н. В. Маиевский, Башфорт, К. И. Константинов. На современном этапе развитие внешней баллистики связано с именами Сиаччи, Я. М. Шапиро, Б. Н. Окунева, А. А. Коновалова, Ю. В. Николаева, Ю. В. Веркиенко и др.

Для определения внешнебаллистических параметров используются баллистические комплексы и мишени на основе блокирующих устройств (соленоидных, акустических, оптико-электронных). Системы на основе оптико-электронных блокирующих устройств (световых экранов) применимы для любых (дои сверхзвуковых) скоростей полета пуль и снарядов, обеспечивают высокую точность измерения скорости и координат. Существующие системы на основе световых экранов содержат излучатели и датчики, ЭВМ, блок питания излучателей, блок согласующих и пороговых устройств и не свободны от недостатков. В этих системах присутствуют методические погрешности, обусловленные приписыванием средней скорости середине участка блокирования и тем, что не учитываются углы наклона траектории {у/ и не определяются внешнебаллистические параметры одновременно в нескольких точках трассыприменяются блоки питания излучателей и нестандартные блоки согласующих и пороговых устройств, увеличивающие погрешность и повышающие стоимость системыиспользуемые излучатели световых экранов обладают высокой энергоемкостью и др.

Для повышения точности необходимо применение сложных алгоритмов обработки информационных сигналов, использование которых стало возможным лишь в связи со значительным увеличением производительности ЭВМ. Особую роль при этом приобретает разработка специализированного математического и программного обеспечения системы и оптимизация её параметров. Следует также отметить существенное возрастание стоимости одного выстрела (особенно для современных изделий), в связи с чем необходимо повышать информативность испытаний. Совмещение испытаний при реальной стрельбе, сопровождающейся выбросом химических продуктов сгорания пороха и загрязнением окружающей среды свинцом, уменьшает нагрузку на окружающую среДУВ связи с этим, задача разработки и исследования новых методов определения внешнебаллистических параметров и разработка на основе этих методов автоматизированных систем, обеспечивающих повышение точности и информативности измерений, является актуальной.

Объектом исследования является система определения внешнебаллистических параметров пуль.

Предметом исследования являются математические модели систем на основе баллистических комплексов с использованием световых экранов, математические модели траектории полета пули, методы решения обратной задачи внешней баллистики, аппаратное обеспечение системы и алгоритмы цифровой обработки информационных сигналов.

Цель работы заключается в разработке системы определения внешнебал-листических параметров пуль, обеспечивающей повышение информативности и точности измерений, сокращение сроков проведения испытаний, экономию боеприпасов и снижение вредного влияния испытаний на окружающую среду.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи: разработка математической модели баллистического комплекса и методики одновременного определения скорости и баллистического коэффициента при измерении и без измерения координат точки попадания с учетом ограниченной точности оценки параметров системыоптимизация расположения световых экранов при известных и неизвестных координатах точек попадания, обеспечивающего минимизацию погрешностей определения внешнебаллистических параметровразработка алгоритмов цифровой обработки информационных сигналов, обеспечивающих повышение вероятности принятия правильного решения о наличии/отсутствии полезного сигнала и повышение точности определения моментов пересечения световых экранов пулейразработка и реализация системы определения внешнебаллистических параметров пуль, её программно-технического обеспеченияпроведение экспериментальных исследований и согласование результатов измерений с результатами измерений штатными методами, оценка погрешности измерений.

Методы исследования. Теоретические исследования основаны на использовании методов системного анализа, аналитической геометрии, внешней баллистики, математической статистики и теории вероятностей, вычислительной математики, теории погрешностей, цифровой обработки сигналов и схемотехники. Экспериментальные исследования проведены с использованием стандартного математического обеспечения ЭВМ и собственного программного обеспечения.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов основывается на корректном применении математических методов, использовании фундаментальных положений физики, механики и теории цифровой обработки сигналов. Правильность технических решений и математического описания задач обработки информации подтверждена приемно-сдаточными испытаниями и опытно-промышленной эксплуатацией автоматизированной системы. Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается использованием большого объема экспериментального материала. Достоверность подтверждается совпадением результатов моделирования и вычислительного эксперимента с результатами натурных испытаний в производственных условиях.

Научная новизна работы состоит в следующем: выполнены исследования, показавшие, что результаты оценки значений внешнебаллистических параметров пуль имеют высокую чувствительность к точности установки световых экранов, что является следствием плохой обусловленности систем уравнений внешней баллистикисозданы математические модели баллистического комплекса, основанные на решении уравнений внешней баллистики и на аппроксимации настильной траектории на малых расстояниях посредством разложения движения на переносное вдоль вектора начальной скорости и относительное под действием силы тяжести с учетом сопротивления воздухаразработана методика определения внешнебаллистических параметров, позволяющая рассчитывать эти параметры при плохой обусловленности системы уравнений внешней баллистикиопределено расположение световых экранов на стрелковой трассе, позволяющее минимизировать погрешности определения скорости и баллистического коэффициента для вариантов с измерением и без измерения координат при использовании разработанной методики.

Практическая ценность (и внедрение) результатов работы:

1. Предложенная методика определения внешнебаллистических параметров обеспечивает автоматическое одновременное измерение скорости, баллистического коэффициента при измерении и без измерения координат точки попадания, т. е. обеспечивает повышение информативности испытаний, сокращение сроков их проведения и экономию боеприпасов.

2. Путем статистического моделирования показано, что разработанная методика определения внешнебаллистических параметров и выбор оптимального расположения световых экранов позволяют повысить точность определения этих параметров по сравнению с применяемыми штатными методами.

3. Созданная система определения внешнебаллистических параметров пуль обеспечивает возможность определения скорости в любой точке траектории, в частности, одновременное определение V0, Vl0, V25.

4. Разработанные алгоритмы цифровой обработки информационных сигналов позволяют повысить вероятность принятия правильного решения о наличии/отсутствии полезного сигнала и повысить точность определения времени прихода сигнала, а также снизить требования к источникам питания излучателей и исключить из системы стабилизированный блок питания излучателей, и за счет этого уменьшить стоимость системы,.

5. Разработано математическое обеспечение системы определения внешнебаллистических параметров пуль и программное обеспечение процессов обработки информационных сигналов.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке и внедрении автоматизированных систем определения внешнебаллистических параметров пуль на основе световых экранов на ГУП «КБП» (г. Тула, филиал ЦКИБ СОО) и на ОАО «Концерн Ижмаш».

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях (НТК) «Информационные системы в промышленности и образовании» в 2007;2008 годах, на НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г.

Ижевск, ИжГТУ) в 2006;2009 годах, на научной конференции-семинаре «Теория управления и математическое моделирование» в 2008 году, на международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (г. Одесса, март 2009 г.), на международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (г. Одесса, июнь 2009 г.), на международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (г. Одесса, октябрь 2009 г.), на VII выставке-сессии инновационных проектов (г. Ижевск, ИжГТУ, 2009 г., работа отмечена дипломом), на НТК «Информационные технологии в промышленности и образовании», посвященной 50-летию кафедры ВТ (г. Ижевск, ИжГТУ, 2009 г.).

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ (из них 2 — в издании, рекомендованном ВАК для публикации основных научных результатов).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, указателя литературы из 108 наименований и Приложений на 7 страницах. Работа содержит 157 страниц машинописного текста, включая 59 иллюстраций, 19 таблиц и Приложения.

4.6. Выводы по главе 4.

1. Созданная система определения скорости пули АСИС-2Д, позволяет реализовать как бесконтактный метод измерения, рекомендованный стандартом, так и новую методику, предложенную в настоящей работе.

2. Разработанная система на основе световых экранов, методики и алгоритмы повышения точности оценки времени пересечения пулей светового экрана обеспечивают в автоматизированном режиме точность определения скорости пули, отвечающую требованиям стандартов к измерительным системам данного типа, расширенную зону регистрации при стрельбе с двух позиций, возможность определения скорости пули в любой точке траектории (в частности, V0, V]0, V25).

3. При проведении экспериментальных исследований предложенная методика последовательного определения внешнебаллистических параметров показала по сравнению со стандартной бесконтактной методикой более высокую точность оценки скорости на дистанции 25 м в ~4−5 раз.

4. Программное обеспечение разработанной системы АСИС-2Д позволяет оперативно управлять технологическим процессом испытаний с ведением архива всех испытаний. При этом сокращается время испытаний, исключаются ошибки, связанные с влиянием человеческого фактора. За счет реализации акустической и визуальной обратных связей с выводом результатов текущего испытания на экран дисплея существенно облегчается работа оператора системы.

5. Проведенные эксперименты показали возможность использования системы для определения скорости дроби.

Результаты испытаний разработанной автоматизированной системы подтвердили правильность предложенных технических решений и пригодность системы для оценки качества стрелкового оружия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация содержит научно-обоснованные технические разработки, позволяющие повысить информативность и точность автоматизированной системы определения внешнебаллистических параметров.

1. Показано, что результаты оценки внешнебаллистических параметров пуль по системе уравнений внешней баллистики имеют высокую чувствительность к точности установки световых экранов, что является следствием плохой обусловленности систем этих уравнений.

2. Создана и исследована математическая модель баллистического комплекса на основе световых экранов, использующая линеаризацию уравнений внешней баллистики с представлением траектории, основанном на разложении движения на переносное вдоль линии бросания и относительное под действием силы тяжести с учетом влияния сопротивления воздуха на величину падения пули.

3. Разработана методика определения внешнебаллистических параметров, позволяющая рассчитывать эти параметры при плохой обусловленности системы уравнений внешней баллистики. Это позволило обеспечить точность определения скорости пули, отвечающую требованиям стандартов к измерительным системам данного типа при неточной установке световых экранов и повысить информативность баллистических испытаний, определяя одновременно скорость в любой точке траектории и баллистический коэффициент при известных и неизвестных координатах точки попадания.

4. На основе проведенных исследований даны рекомендации по расположению световых экранов на стрелковой трассе, обеспечивающему минимальные погрешности определения скорости и баллистического коэффициента, для вариантов с измерением и без измерения координат при использовании разработанной методики.

5. Разработаны алгоритмы цифровой обработки сигналов с оптического датчика (включая фильтрацию, обнаружение и оценку времени их прихода), позволяющие:

— осуществлять питание излучателей световых экранов от источника переменного тока, и, за счет этого, упростить аппаратную часть системы и уменьшить её стоимость;

— повысить соотношение сигнал/шум в ~8 раз для наихудшего случая;

— повысить точность определения времени прихода сигнала в -31 раз.

6. Создано программное и аппаратное обеспечение системы АСИС-2Д с использованием виртуального осциллографа АСК-3107, позволяющее оперативно управлять технологическим процессом испытаний при стрельбе с двух позиций с ведением архива всех испытаний. При этом сокращается время испытаний и повышается их информативность (определяются скорости V0, Vl0, V25), исключаются ошибки, связанные с влиянием человеческого фактора. За счет реализации акустической и визуальной обратных связей с выводом результатов текущего испытания на экран дисплея существенно облегчается работа оператора системы.

7. Проведены натурные испытания на аттестованной и принятой в эксплуатацию в баллистической лаборатории государственного испытательного центра гражданского и служебного оружия ОАО «Концерн Ижмаш» системе АСИС-2Д, результаты которых подтвердили правильность технических и алгоритмических решений и пригодность разработанной системы для определения внешнебаллистических параметров пуль (что подтверждается актами о внедрении результатов).