Подсистема визуализации целей, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Корнилов, Игорь Геннадьевич

• Корнилов, Игорь Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Корнилов, Игорь Геннадьевич

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Анализ стрелковых тренажеров. Стрелковый тренажер как 11 информационно - измерительная система

1.2. Оптико-электронные преобразователи координат

1.3. Подсистема визуализации целей, имитации выстрела и 19 определения точки попадания в стрелковом тренажере

1.4. Реалистичность подсистемы имитации выстрела и 22 определения точки попадания в стрелковом тренажере

1.5. Выводы по главе

2. МОДЕЛИ ПОДСИСТЕМЫ ИМИТАЦИИ ВЫСТРЕЛА И 27 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЧКИ ПОПАДАНИЯ В СТРЕЛКОВОМ ТРЕНАЖЕРЕ

2.1. Использование матричных преобразований для построения 28 математических моделей

2.2. Модель проектора для визуализации целей

2.3. Модель оптико-электронного преобразователя с координатно- 34 чувствительными фотоприемниками

2.4. Модель оптико-электронного преобразователя с 40 интегральными фотонриемниками

2.5. Модель лазерного пятна. Спекл-эффект.

2.6. Модель оптико-электронного преобразователя с 50 фотолинейками

2.7. Модель лазерного излучателя установленного на имитаторе 60 оружия

2.8. Выводы по главе

3. ОПИСАНИЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ 66 СИСТЕМЫ

3.1. Схема подсистемы имитации выстрела и определения точки 66 попадания

3.2. Техническая реализация датчика координат на основе 72 фотодиодов

3.3. Техническая реализация датчика координат на основе 75 фотолинеек

3.4. Техническая реализация излучателя имитатора оружия

3.5. Экран для датчика координат

3.6. Выводы но главе

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ И НАТУРНЫХ 82 ИСПЫТАНИЙ

4.1. Компьютерное моделирование и идентификация моделей ПВИР

4.2. Результаты испытаний датчика на основе фотодиодов

4.3. Результаты испытаний датчика па основе фотолинеек

4.4. Методика и результаты испытаний ПВИР на точность на предварительном этане сдачи

4.5. Результаты исследовании автоматической идентификации подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания

4.6. Методика проведения и результаты приемо-сдаточных испытаний па точность

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Подсистема визуализации целей, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере»

Актуальность темы. Большой интерес к разработке стрелковых тренажеров объясняется тем обстоятельством, что при их использовании в учебном процессе резко возрастает эффективность обучения, сокращаются сроки обучения, может быть достигнута значительная экономия материальных и денежных ресурсов, обеспечивается безопасность в процессе обучения без пулевой стрельбы. Переход от пулевой стрельбы с выбросом химических продуктов сгорания пороха и загрязнением окружающей местности свинцом к ее имитации полностью снимает проблемы экологии и защиты окружающей среды.

В современных условиях в связи со сложившейся экономической ситуацией в России удешевление обучения приобрело еще большую актуальность. Кроме того, стала актуальной задача предотвращения хищения оружия и боеприпасов, которое абсолютно исключено при обучении и тренировках на тренажерах без применения боевого оружия.

Патентно-информационный анализ показывает, что в мире идет процесс совершенствования тренажеров, процесс появления тренажеров нового поколения с имитацией местности, местных предметов, подвижных и неподвижных целей, с имитацией отдачи и звуковых эффектов при "выстреле". С другой стороны, из-за сложившейся экономической ситуации в России в настоящее время тренажеры практически не изготавливаются. Тем не менее, ОАО "Ижмаш" и ИжГТУ выполнили тему "Ингибитор" по созданию оптико-электронного стрелкового тренажера, предназначенного для обучения и тренировки личного состава мотострелковых, разведывательных и пулеметных подразделений (отделений), подразделений родов войск и специальных войск действием при оружии в соответствии с Курсом стрельб [81,82]. Тренажер прошел государственные испытания и принят на вооружение армии РФ. В настоящее время ведется подготовка к выпуску промышленных образцов стрелкового тренажера и в диссертации приведены результаты исследований, благодаря которым, в том числе, создан тренажер и принято решение об его промышленном изготовлении.

Для формулирования цели и задач исследований необходимо провести анализ существующих тренажеров, чтобы определить объект исследований, в данном случае - какие измерения производятся для определения результатов выстрела, какова требуемая точность измерений, каков диапазон измеряемых величин, каковы критерии оценки результата "выстрела" (достоинства выстрела) и т.д. Так как с помощью тренажеров моделируются реальные объекты и процессы, то для понимания тренажеров (моделей) и их классификации необходимо начать с реальных объектов и процессов. Понимание того факта, что тренажер является моделью реальных объектов и процессов приводит к мысли об адекватности модели, что, в свою очередь, - к мысли об использовании тех же самых критериев оценки достоинства "выстрела", аналогичных требований к допустимой погрешности измерений и т.д. Этот перенос с реального объекта на модель, с другой стороны, не должен быть механистическим. Необходимо при условии сохранения адекватности, учитывать различие последствий от действий в боевой обстановке и на модели, например, последствия от поражения (попадания) или не поражения (промаха) цели.

Мы выделяем виды испытаний (стрельб):

- стрельба в реальных условиях (боевой обстановке, на полигоне, в тире) с фиксацией факта поражения (попадания-промаха);

- стрельба в производственных условиях для приведения оружия к нормальному бою и контроля точности (меткости и кучности) стрельбы с измерением координат точек попадания для вычисления оценок меткости и кучности стрельбы, а также поправок для корректировки положения мушки (приведения к нормальному бою);

- учебная стрельба в открытом или закрытом тирах по трафаретным мишеням с определением количества выбитых очков;

- спортивная стрельба по трафаретным мишеням с определением количества выбитых очков.

Эти четыре вида стрельб подразумевают три разновидности измерений:

- измерение-фиксация факта попадания в фигурную мишень;

- измерение-фиксация факта попадания или промаха в зоны трафаретной мишени, оцениваемое соответствующим количеством очков;

- измерение координат точек попадания с последующим вычислением координат средней точки попадания (оценка меткости стрельбы), кругов R100, R80, R50 относительно контрольной точки (оценки точности стрельбы, т.е. интегральные оценки меткости и кучности стрельбы), кругов R100, R80, R50 относительно средней точки или с плавающим центром, поперечника П100, сердцевинных отклонений Сб, Св, срединных отклонений Вб, Вв, размахов по боку и верху Wx, Wy (оценки кучности стрельбы).

В случае бесконтактной автоматической мишени второй вид измерений-фиксации можно заменить измерением координат точек попадания с последующим расчетным определением зон трафарета и количества выбитых очков.

В стрелковом тренажере нового поколения осуществляется имитации стрельбы. В результате физические объекты: пуля, ее траектория и пробоины в мишени в стрелковом тренажере отсутствуют. Реальное (боевое) оружие заменяется имитатором, реальный выстрел и эффект от него в виде пробоин в мишени заменяются, например, кратковременным лазерным излучением, формирующим лазерное пятно на экране тренажера. Оптико-электронный преобразователь предназначен для определения координат этого пятна, чтобы определить "точку попадания". В результате в тренажере можно выделить подсистему визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания.

Имитация выстрела должна сопровождаться имитацией отдачи. Это самостоятельная задача, не входящая непосредственно в задачи подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания. Соответственно имитация отдачи не входит в задачу наших исследований.

Цель работы заключается в проведении комплексных исследований, направленных на получение научно-обоснованных технических решений по созданию подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковых тренажерах, путем разработки аппаратных средств (проектора, экрана, оптико-электронного преобразователя координат - датчика координат и лазерного излучателя на имитаторе оружия) и оптимизации их параметров, разработки моделей и программного обеспечения, обеспечивающего идентификацию моделей, обработку результатов измерений и реалистичность тренажера

Для достижения поставленной цели решаются задачи:

- разработка новых оптико-электронных преобразователей координат с оптимизацией их параметров;

- разработка, исследование и идентификация параметров физических математических и регрессионных моделей оптико-электронных преобразователей координат в мишенях тренажеров, учитывающих дальность "стрельбы" и расположение позиции;

- разработка способа автоматической идентификации подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и регистрации попадания;

- экспериментальная проверка разработанных оптико-электронных преобразователей и алгоритмов, определение точностных характеристик.

Объектом исследования является подсистема визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковых тренажерах нового поколения.

Предметом исследования являются аппаратные средства ПВИР, модели элементов ПВИР (проектора, экрана, оптико-электронного преобразователя координат - датчика координат и лазерного излучателя на имитаторе оружия), способы идентификации моделей и программное обеспечение ПВИР, интегрированное в оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя.

Методика исследования

В работе для теоретических исследований применялись методы теории информационно-измерительных систем, аналитической геометрии и погрешностей измерений. При разработке устройств ПВИР и алгоритмов использовались методы теории цифровых вычислительных систем, измерительной техники, схемотехники, теории цифровых автоматов, теории оптико-электронных приборов и программирования. Для проверки моделей и теоретических зависимостей использованы методы статистического моделирования и результаты натурных испытаний. Исследование моделей и их идентификация осуществлялись с помощью математических пакетов.

Научная новизна и личный вклад автора состоят в следующем:

- разработаны элементы оптико-электронные преобразователи координат аналогового (с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками) и дискретного (с фото-линейками) типа;

- разработаны математические модели основных элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, в частности, модель лазерного излучателя на имитаторе оружия, модель оптико-электронного преобразователя аналогового типа с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками, модель дискретного оптико-электронного преобразователя с фото-линейками, модель проектора;

- найден способ уменьшения влияния спекл-эффекта на точность определения координат датчиками аналогового типа;

- обоснованы способы идентификации моделей (идентификация оптико-электронного преобразователя в автоматическом режиме, а также лазерного излучателя без непосредственного измерения координат лазерного пятна на экране тренажера).

Практическая ценность и внедрение результатов работы

1. Модели и алгоритмы функционирования элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания.

2. Алгоритмы и программы идентификации и функционирования элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, интегрированные в оптико-электронный тренажер для коллективного боя.

3. Оптико-электронные преобразователи координат аналогового (с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками) и дискретного (с фото-линейками) типа и лазерный излучатель имитатора оружия.

4. Результаты испытаний и внедрения. Публикации, пакеты программ и патент.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке оптико-электронных стрелковых тренажеров по теме "Ингибитор" с МО РФ (по теме "Разработка и исследование стрелкового тренажера" с ОАО "Ижмаш" (2000

2004 г.)), по Программе сотрудничества между Министерством образования РФ и Министерством обороны РФ (Раздел программы "Инновационное сотрудничество" (2003-2004 г.)), а также в НИР (Темплан № 3.01.01, 2001-2003 г.) и учебном процессе в ИжГТУ.

Апробация и публикации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях "Ученые ИжГТУ - производству" в 2000-2006 годах; на семинарах научно-молодежной школы "Информационно-измерительные системы на базе наукоемких технологий" по Целевой Федеральной Программе "Интеграция" (проект № 864) в 2000 году (г. Ижевск); на Всероссийской НТК Приборостроение в XXI веке "Интеграция науки, образования и производства" в 2001 и 2006 годах; на международной НТК, посвященной 50-летию ИжГТУ в 2002 г.; на международном форуме "Высокие технологии - 2004" в 2004г. (г. Ижевск); Пятой Всероссийской НТК "Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии" (г.Тула, ТулГУ, 2006г.); Всероссийской НТК "АСУИТ-2006", (г. Пермь, ПГУ, 2006г).

Макет тренажера демонстрировался на совещании с представителями Росвооружения (г. Кубинка, 2004г.), представителям НАТО и КНР (г. Москва, лето 2006г.). Оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя (шифр "Ингибитор") прошел государственные испытания в 2004 г. Материалы работы обсуждались и использовались при выполнении НИР по программе "Конверсия" (проект № 01.9.70 006112, 2001 г.) и по Целевой Федеральной Программе "Интеграция" (проект № 864, 1997-2000 г.).

Основной материал диссертации отражен в 10-и печатных работах и 4-х отчетах НИР. Получен патент РФ "Оптико-электронный стрелковый тренажер для коллективного боя".

Структура и объем работы

Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы и приложение (Акты внедрения). Общий объем работы 121 с. машинописного текста, список литературы содержит 142 наименования. В работу включено 56

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Корнилов, Игорь Геннадьевич

8. Результаты работы внедрены в учебный процесс ИжГТУ по дисциплине «Моделирование» для специальности 23.01.01. Изданы два методических указания для проведения лабораторных работ (на электронном носителе).

9. Результаты испытаний подтвердили правильность моделей и технических решений, реализованных в процессе разработки, исследований и испытаний отдельных узлов и тренажера в целом.

Так как выводы научно-технического характера сформулированы в каждой главе, то по результатам выполненных исследований, связанных с созданием подсистемы для оптико-электронного стрелкового тренажера коллективного боя, можно сделать следующее заключение.

1. На основании анализа стрелковых тренажеров и экспериментальных исследований определены параметры оптико-электронного стрелкового тренажера (и в частности ПВИР) по быстродействию, по точности регистрации координат точки наведения, по совместимости одновременной работы нескольких стрелков.

2. На основании анализа литературных источников и опыта разработки стрелкового тренажера в вузовско-академическом отделе «Методы испытаний тепловых машин» при ИжГТУ выбраны схемы перспективных датчиков координат (аналогового типа на фотодиодах и дискретного типа на фото-линейках), проведена их разработка и исследование. Для тренажера коллективного боя рекомендован дискретный датчик координат на ПЗС-линейках, имеющий более стабильные характеристики, меньшую зависимость от световых и других помех и необходимую точность.

3. Разработаны модели основных узлов ПВИР (проектора, оптико-электронных преобразователей координат, лазерного излучателя установленного на оружии). Это пространственные модели системы косвенных измерений, в большинстве случаем являющиеся дробно-рациональными нелинейными моделями.

4. Ввиду невозможности определения или задания параметров моделей с требуемой точностью принято решение об идентификации (тарировке) параметров моделей по экспериментальным данным. В качестве критерия определения параметров моделей выбран метод наименьших квадратов, обладающий высокой помехоустойчивостью и сглаживающий ошибки отдельных измерений за счет избыточного количества экспериментальных данных (числа степеней свободы) при идентификации моделей.

5. Для сокращения времени получения экспериментальных данных для идентификации и исключения при этом субъективных ошибок наведения стрелка предложен и реализован метод автоматической тарировки при котором световое пятно, необходимое для идентификации датчика координат, высвечивается на экране тренажера с помощью проектора по программе, заложенной в компьютер тренажера.

6. Для повышения точности определения координат предложена и реализована вторичная идентификация, т.е. идентификация модели лазерного излучателя на оружии при наведении его в высвечиваемые на экране точки.

7. Разработанный при непосредственном участии автора стрелковый тренажер для коллективного боя (шифр "Ингибитор") в 2004 г. прошел государственные испытания и принят на вооружение МО РФ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Корнилов, Игорь Геннадьевич, 2006 год

1. Disapearing target. Патент № 5215463, кл. F41G 3/26, США, 1993.

2. Laser Focus, № 9, 1982. с. 44.

3. Light pen marksmanship trainer. Патент № 4583950, кл. A63F 9/22, США, 1986.

4. Machine gun and minor caliber weapons trainer. Патент № 5035622, кл. F41G3/26, США, 1991.

5. Marksmanship expert trainer. Патент № 4923402, кл. F41G 3/26, США, 1990.

6. Projected imaged weapon training apparatus. Патент № 4680012, кл. F41G 3/26, США, 1987.

7. Shooting simulating process and training device. Патент № 5194006, кл. F41G3/00, США, 1993.

8. Target trainer. Патент № 4824374, кл. F41J 5/08, США, 1989.

9. Training aid. Патент № 4820161, кл. F41G 11/00, США, 1989.

10. Video target training apparatus for marksmen, and method. Патент № 4955812, класс F41F 27/00, США, 1990.

11. Weapon aim-training apparatus. Патент № 4619616, кл. F41G 3/00, США, 1986.

12. А. с. № 213 213 (СССР). Способ слежения за источником светового излучения // Г. П. Катыс, В. Д. Зотов, по заявке № 1069106/26-25 от 24.03.66. -Бюл. № 7, 1969.

13. А. с. № 225 331 (СССР). Способ слежения за источником светового излучения // В. Д. Зотов, Г. П. Катыс, Н. В. Кравцов, В. Б. Широков, по заявке № 1112698/26-25 от 14.11.66. Бюл. № 27, 1968.

14. А. с. СССР № 201166, кл. F41/G 3/26.

15. А. с. СССР № 282967, кл. F41/G 3/26.

16. А. с. СССР № 445822, кл. F41/G 3/26.

17. А. с. СССР № 544276, кл. F41/G 3/26.

18. Бегунов Б. Н., Заказнов Н. П. Теория оптических систем (учебное пособие для втузов). М.: Машиностроение, 1973. - 488 с.

19. Бегунов Б.Н., Заказнов Н.П. Теория оптических систем. Учебное пособие для втузов. М.: Машиностроение, 1973. - 488 с.

20. Беклемишев Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. -М.: Наука, 1974.-320 с.

21. Бородачев Н. А. Основные вопросы теории точности производства. М.: Изд. АН СССР, 1950.-416 с.

22. Бородюк В. П., Лецкий Э. К. Статистическое описание промышленных объектов. М.: Энергия, 1971. - 111 с.

23. Брайэн Уолтере. Новые тактические тренажеры фирмы Simfire. Перевод № Ж3-2322, ГНТИ, 1986, журнал Defence, 1984, апрель, т. 15, № 4. -с. 179.

24. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. // Под ред. Г. Гроше, В. Циглера. Пер. с нем. - М.: Наука; Лейпциг, Тойбнер, 1981. - 719 с.

25. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВТУЗов. М.: ГИТТЛ, 1955. - 608 с.

26. Быков В. В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. -М.: Советское радио, 1971. 328 с.

27. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962. - 564 с.

28. Веркиенко А. Ю. Идентификация датчика координат тренажера с четы-рехсекционным приемником и лазерным излучателем // Сб. трудов научно-молодежной школы по ФЦП "Интеграция". Ижевск, Изд. ИПМ УрО РАН, 1997.- с. 20-22.

29. Веркиенко А. Ю., Кузьмин А. С. О требуемом быстродействии датчика координат тренажера // Сб. трудов научно-молодежной школы по ФЦП "Интеграция". Ижевск: Изд. ИПМ УрО РАН, 1997. - с.84-86.30