Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и объект исследований 11
1.1. Анализ стрелковых тренажеров. Стрелковый тренажер как информационно - измерительная система 11
1.2. Оптико-электронные преобразователи координат 16
1.3. Подсистема визуализации целей, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере 19
1.4. Реалистичность подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере 22
1.5. Выводы по главе 1 25
2. Модели подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере 27
2.1. Использование матричных преобразований для построения математических моделей 28
2.2. Модель проектора для визуализации целей 29
2.3. Модель оптико-электронного преобразователя с координатно- чувствительными фотоприемниками 34
2.4. Модель оптико-электронного преобразователя с интегральными фотоприемниками 40
2.5. Модель лазерного пятна. Спекл-эффект. 46
2.6. Модель оптико-электронного преобразователя с фотолинейками 50
2.7. Модель лазерного излучателя установленного на имитаторе оружия 60
2.8. Выводы по главе 2 65
3. Описание информационно-измерительной системы 66
3.1. Схема подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания 66
3.2. Техническая реализация датчика координат на основе фотодиодов 72
3.3. Техническая реализация датчика координат на основе фотолинеек 75
3.4. Техническая реализация излучателя имитатора оружия 78
3.5. Экран для датчика координат 80
3.6. Выводы по главе 3 80
4. Результаты исследования моделей и натурных испытаний 82
4.1. Компьютерное моделирование и идентификация моделей ПВИР 82
4.2. Результаты испытаний датчика на основе фотодиодов
4.3. Результаты испытаний датчика на основе фотолинеек
4.4. Методика и результаты испытаний ПВИР на точность на предварительном этапе сдачи
4.5. Результаты исследования автоматической идентификации подсистемы имитации выстрела и определения точки попадания
4.6. Методика проведения и результаты приемо-сдаточных испытаний на точность
4.7. Выводы по главе 4
Заключение литература
Приложение
- Подсистема визуализации целей, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере
- Модель оптико-электронного преобразователя с координатно- чувствительными фотоприемниками
- Модель лазерного излучателя установленного на имитаторе оружия
- Техническая реализация датчика координат на основе фотолинеек
Введение к работе
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
6 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-фиксаций 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 па-
раметров, 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 преобразо
вателей 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 осуществля-
лись 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 из
лучателя без непосредственного измерения координат лазерного пятна на экра
не тренажера).
Практическая ценность и внедрение результатов работы
Модели и алгоритмы функционирования элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания.
Алгоритмы и программы идентификации и функционирования элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, интегрированные в оптико-электронный тренажер для коллективного боя.
Оптико-электронные преобразователи координат аналогового (с четырех-секционным или несколькими интегральными фотоприемниками) и дискретного (с фото-линейками) типа и лазерный излучатель имитатора оружия.
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
рисунков.
В первой главе с целью постановки задачи исследований анализируются оптико-электронные стрелковые тренажеры и элементы подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, в частности, оптико-электронные преобразователи координат. Обсуждается проблема реалистичности подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания.
Вторая глава посвящена моделям элементов подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания и подсистемы в целом. Здесь рассмотрены: модель проектора для визуализации целей; модель оптико-электронного преобразователя с фотоприемниками; модель оптико-электронного преобразователя с фотолинейками, модель имитатора оружия с лазерным излучателем и модель лазерного пятна.
Третья глава посвящена описанию подсистемы визуализации цели, имитации выстрела и определения точки попадания, технической реализация двух вариантов датчиков координат и лазерного излучателя установленного на имитаторе оружия.
Четвертая глава посвящена результатам исследования моделей ПВИР в стрелковом тренажере. Эти результаты дополняют содержание главы 2 и послужили основой для выбора моделей и обоснования алгоритмов функционирования и идентификации, использованных при технической реализации стрелкового тренажера и его программного обеспечения.
Кроме того, в главе приведены результаты натурных испытаний, позволяющие, в частности, судить о достигнутой точности регистрации координат точки наведения (попадания) в стрелковом тренажере.
Основные научные и практические результаты работы сформулированы в заключении.
В приложении приводятся Акты внедрения.
Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете, г. Ижевск.
Подсистема визуализации целей, имитации выстрела и определения точки попадания в стрелковом тренажере
Для краткости назовем подсистему визуализации целей, имитации выстрела и регистрации попадания ПВИР (подсистема визуализации, имитации, регистрации).
С точки зрения моделей в систему входят: проектор для отображения местности и целей на экране тренажера, лазерный излучатель, устанавленный на имитаторе оружия (например, вместо дульного тормоза автомата Калашникова), и оптико-электронный преобразователь (датчик) для определения координат лазерного пятна на экране тренажера.
Проектор содержит излучающую матрицу, расположенную в фокальной плоскости объектива. Ячейки матрицы расположены с постоянным точно заданным шагом. Яркость (изображение) каждой ячейки отображается на экране тренажера. Координаты ячеек (уя, гя) соответствуют в выбранном масштабе расчетным координатам (у, z) на экране тренажера. Однако фактические координаты (уэ, Zj) на экране тренажера отличаются от расчетных (у, z). Несовпадение координат можно объяснить следующими причинами: нелинейными искажениями объектива; искажениями, обусловленными законами проецирования и вызванными свалом проектора относительно плоскости экрана (соответственно непараллельность плоскостей матрицы и экрана).
В случае высококачественного объектива нелинейные искажения объектива невелики. Если ось объектива смещена относительно центра экрана, но перпендикулярна плоскости экрана, то смещением матрицы в фокальной плоскости объектива можно добиться совпадения координат (у, z) и (уэ, z0) (по крайней мере в центре экрана).
Современные проекторы позволяют регулировать второй тип искажений, но тем не менее это можно сделать с некоторой точностью. Если, например, оптическая ось неперпендикулярна плоскости экрана тренажера, то принципиаль но нельзя добиться идеального совпадения. По этой причине необходимо рассчитывать на алгоритмические методы коррекции погрешностей, а для этого необходимо иметь представления о характере нелинейных искажений.
Лазерный излучатель установлен на имитаторе оружия и имитирует выстрел - лазерное пятно на экране тренажера в точке (улэ, гю) при наведении в точку (уэ, гэ). Из-за несоосности оси лазера и линии прицеливания, проходящей через мушку и целик, точки (улэ, ZJ,J) и (уэ, z,) не совпадают. При этом величина несовпадения (погрешности) зависит от взаимного расположения лазера и точки наведения, а также от величины неколлинеарности осей.
Установленный стационарно напротив экрана оптико-электронный преобразователь предназначен для определения координат лазерного пятна (уэ, гэ). Измерение координат (уэ, гэ) происходит с некоторыми погрешностями измерения [21,32,88,134,117,120]. Следует отметить, что здесь имеют место косвенные измерения. Следовательно, необходима модель с известными параметрами [26,33]. Так как номинальные значения параметров датчика и экрана, а также параметры их расположения относительно друг друга могут быть измерены или заданы с точностью, недостаточной для точного определения параметров модели, то единственно приемлемым выходом представляется определение параметров модели опытным путем, т.е. их идентификация [28,35,140].
Аналогично необходима идентификация параметров модели лазерного излучателя. Неординарность задачи идентификации заключается в том, что три модели (проектора, излучателя и датчика) взаимосвязаны. Если осуществить идентификацию каждой модели независимо от остальных, то необходимо в процессе идентификации осуществлять измерение физических величин (координат на экране тренажера) с высокой точностью для большего количества точек, что трудоемко и нецелесообразно.
Например, в случае идентификации лазерного излучателя необходимо наводить имитатор оружия в заданные точки (уэ, z,) экрана и измерять координаты лазерного пятна (ую, глэ). В случае идентификации датчика необходимо задавать (изменять) координаты лазерного пятна (уэ, z,).
В случае проектора для заданных координат (у, z) целей надо измерять координаты соответствующих точек на экране (у„ гэ).
Чтобы исключить непосредственные ручные измерения предлагается идентификация датчика совместно с проектором в автоматическом режиме. Для этого на экране последовательно высвечиваются пятна с центрами (уэ, гэ), соответствующие данным координатам (у, z) цели, и одновременно фиксируются первичные параметры датчика, соответствующие параметрам пятна (у0, z0) на экране. Затем определяется модель " проектор - экран - датчик " устанавливающая зависимость заданных координат (у, z) от параметров pL При этом физические значения координат (уэ, z3) остаются неизвестными. Предполагается, однако, что координаты (уэ, гэ) мало отличаются от заданных координат.
На втором этапе осуществляется идентификация имитатора оружия (лазерного излучателя). Для этого на экране тренажера высвечиваются мишени с центрами в точках (уэ, z3), соответствующих задаваемым точкам (у, z). Имитатор оружия последовательно наводится на точки (уэ, гэ) и производится "выстрел". То есть лазером высвечиваются точки с координатами (у„, глэ) и при этом датчиком фиксируются первичные параметры, соответствующие координатам (улэ, глэ). Таким образом, без измерения физических координат (уэ, гэ) и (улэ, глэ) мы имеем заданные координаты точки наведения (у, z), соответствующие координатам (уэ, z3), и вычисленные координаты лазерного пятна (ул, гл), соответствующие неизвестным физическим координатам (ую, z„).
Модель оптико-электронного преобразователя с координатно- чувствительными фотоприемниками
Принцип действия оптико-электронного преобразователя координат тренажера на базе четырехсекциоиного фотодиода поясняет рис. 2.3.1. На нем приведены основные геометрические размеры простой оптической схемы без оптического усиления сигналов (L - дальность; / - расстояние между диафрагмой и чувствительной площадкой фотодиода ФД; 2Ъх2с - размер прямоугольной диафрагмы; 2hyx2h2 - размер светового пятна на площадке ФД; 2Hyx2Hz -размер чувствительной площадки фотодиода, состоящей из четырех секций 1,2,3,4; Sj...S4- площади освещенных частей соответствующих секций;у, z - координаты центра прямоугольного светового пятна на площадке фотодиода; уэ, z-, - координаты светового лазерного пятна на экране тренажера; 2H3yx2H3Z -размер экрана тренажера). Напряжения на выходах усилителей фототоков секций фотодиода пропорциональны засвечиваемым площадям Соотношения (2.3.1) записаны для случая одинаковых коэффициентов усиления фотодиодов k(h усилителей фототоков ку и постоянства освещенности где через ив, ин, ип и щ обозначены суммы соответствующих напряжений, заключенных в скобки. Из (2.3.1)-(2.3.3) имеем Следовательно, измерив отношения напряжений С,, ц, можно по (2.3.4) вычислить координаты уЭ) z3. Далее ограничимся исследованиями для вертикальной координаты, положив hy= hz=h, Ну= HZ=H, Нэу= НЭ2= Нэ.
Определение освещенности площадки фотодиода иллюстрирует рис.2.3.2. Световой поток F сечением dso, от лазерного излучателя, установленного на имитаторе оружия, наведенного в точку (уэ, z,) экрана тренажера под углом а, образует на нем световое пятно площадью ds тренажера за ламбертов излучатель [63,67,84,86,94,141,142], для энергетической яркости этой поверхности получим [132,141,142] Известно [18], что в случае параллельных площадок dsj, ds2, расположенных друг от друга на расстоянии L по нормали к площадкам и под углом (3 к ним (рис. 2.3.2), поток от dsj на ds2 и не зависит от угла #(рис.2.3.2), под которым направлен лазерный луч на экран тренажера. Оптико-электронный преобразователь (датчик) является сложным многопараметрическим прибором. Поэтому в настоящее время принят метод расчета, заключающийся в оптимизации отдельно оптической части, фотоприемника и решающего устройства [94,141,142]. С точки зрения системного подхода нужно, по крайней мере, использовать единый критерий оптимизации для всех частей ОЭП. В данном случае, что касается фотоприемника, выбирать, как говорится, не приходится из-за относительно небольшой номенклатуры фотодиодов.
Очевидно, что нужен фотодиод с максимальной площадкой, с большой чувствительностью и высоким быстродействием. Очевидно также, что усилитель фототока должен иметь минимальное среднеквадратическое отклонение шума, приведенного ко входу. Можно применить оптическую схему, например, с фоконами или цилиндрическим объективом. Однако, они вносят искажения и не дают выигрыша в случае большого угла поля зрения оптико-электронного преобразователя. Поэтому в случае достаточной мощности лазера применение оптического усиления сигнала нецелесообразно, а предпочтительно использовать оптико-электронный преобразователь с несколькими обычными фотоприемниками (фотодиодами) по возможности с большими чувствительными площадками. Поясним принцип работы оптико-электронного преобразователя с несколькими фотоприемниками. В случае использования четырех фотоприемников благодаря отсутствию габаритных ограничений при стационарной установке датчика фотоприемники можно объединить по две секции, расположенные взаимно перпендикулярно, что позволяет определять независимо координаты лазерного пятна на экране тренажера. При этом перед каждым из фотоприемников устанавливается полубесконечная диафрагма. Рис.2.3.3 и 2.3.4 иллюстрируют расположение фотоприемников и диафрагм перед ними для определе ния вертикальной координаты Y. Схема для координаты Z аналогична и не зависит от схемы для координаты Y. Таким образом, достаточно ограничиться одной моделью, соответствующей, например, координате Y.
Модель лазерного излучателя установленного на имитаторе оружия
В модели (2.7.9) коэффициенты mv зависят от положения позиции (xp,yp,zp), точки наведения оружия {0,уи,г,), смещении линии лазерного излучателя относительно линии наведения q и углов (5 и у, характеризующих непараллельность оси лазерного излучателя и линии наведения. Вместо /?и у в качестве ПеремеННЫХ удобнее Модель (2.7.9) можно использовать в двух случаях. 1. Если параметры модели (хр,ур, zp, q, s4ts5) известны, то в режиме функционирования тренажера, когда оружие наведено в точку {0,yH,z и оптико-электронный преобразователь определил координаты лазерного пятна (0,y,z), из системы (2.7.9) (фактически из двух последних уравнений) можно найти координаты точки наведения (0,yH)zH). 2. Если параметры модели не известны, то при наведении в п 3 точки и определении с помощью оптико-электронного преобразователя координат лазерного пятна, получим 2я 6 уравнений (вторых и третьих в системе (2.7.9)), из которых можно найти неизвестные параметры модели (хр,ур, zp, q, 54,55).
Если количество уравнений взять больше количества параметров, то решение следует искать, например, по методу наименьших квадратов. Для сокращения числа неизвестных для некоторых из них можно взять расчетные (измеренные) значения. К таким неизвестным можно отнести хр и q. Следует иметь ввиду, что q - это не только расстояние между линией наведения и осью лазера. В q также входит смещение центра яркости лазера относительно геометрического центра лазерного ик-диода.
Ввиду нелинейности и сложности модели (2.7.9) относительно параметров идентификации разработана модель на основе геометрических соотношений. При этом матричная модель используется для исследования точности геометрической модели и ее идентификации.
Вообще при идентификации модели «линия наведения оружия - лазер» возникает принципиальная трудность, заключающаяся в том, в разработанной методике автоматической идентификации под систему «проектор - экран -датчик» физические координаты высвечиваемых с помощью проектора точек наведения остаются неизвестными. Они строго соответствуют расчетным, задаваемым компьютером на матрице проектора пикселям, но не более того. Как было отмечено ранее, из этой ситуации найден выход, основанный на том, что если найти поправки при наведении на некоторую точку, то поправки для относительно рядом расположенной точки будут примерно такими же. Поэтому в процессе идентификации оружие проходит «пристрелку», а именно -наводится на высвечиваемую проектором точку, координаты которой принимаются за расчетные и находимая поправка относительно фактической точки принимается равной поправке относительно расчетной точки. Рис 2.7.1 Поправка на несовмещение осей Рис 2.7.2 Угловое расхождение В режиме автоматической идентификации эта операция осуществляется для конкретного оружия и конкретной позиции (положения стрелка) без изменения ее координат. Математическое обоснование вторичной модели поправок иллюстрируют рис.2.7.1-2.7.3. На рисунках YP, ZP- координаты позиции; Yu, 2ц - координаты точки наведения; Yn, Zu - координаты точки попадания; qy, qz - смещения лазера относительно линии наведения; &, Ч - углы положения точки (Yn, Zn) относительно позиции; у, Р - углы не параллельности оси лазера и линии наведения; a = tg у, az = tg /? - тангенсы углов; L - расстояние между позицией и экраном по нормали (дальность). В этих моделях идентификации подлежат неизвестные параметры я , az, #к qz, YP, ZP, причем в (2.7.10) входят ау, qY, YP, ZP, а в (2.7.11) - az, qz, YP, ZP. Общее число неизвестных равно шести и необходимо минимальное количество точек наведения, равное трем. В случае, например, автомата Калашникова можно считать, что боковое смещение осей qz = 0, а вертикальное равно выносу мушки относительно оси канала ствола, совмещенной с осью лазерного излучателя, qY= 52 мм. В процессе идентификации поправки AY ,AZ заменяются на разности между расчетными значениями координат точек наведения (задаваемыми от компьютера) и расчетными значениями координат точек попадания, определяемых с помощью оптико-электронного преобразователя. В случае переноса позиции необходимо изменить координаты Y/ , Zj , а если не производить изменение положения позиции, то осуществить новую идентификацию для данной позиции. 1. В главе описаны разработанные модели подсистемы визуализации целей, имитации выстрела и регистрации попадания в стрелковом тренажере (модель проектора для визуализации целей, модель координатно-чувствителыюго датчика с четырехсекционным фотоприемником, модель координатно-чувствительного датчика с интегральными фотоприемниками, модель оптико-электронного преобразователя с фотолинейками, модель имитатора оружия с лазерным излучателем, модель лазерного пятна). 2. Почти все модели являются пространственными и содержат большое количество параметров положения, которые невозможно задать или измерить с точностью, необходимой для обеспечения точности результатов измерения в системе косвенных измерений. 3. По причине незнания точных значений параметров необходимо осуществлять идентификацию моделей по экспериментальным данным. Возможно использование регрессионных моделей (например, линейных, полиномиальных и других). Однако, предпочтительны математические (физические) модели, являющиеся адекватными объектам. 4. Модели являются нелинейными и, как правило, дробно рациональными и взаимно связанными. Упрощение процесса идентификации и исключение для этого физических измерений координат на экране тренажера не позволяет объединить модели. Исключение физических измерений позволя ет осуществлять идентификацию в два этапа (отдельно системы "проектор экран тренажера- оптико-электронный преобразователь" и системы "имитатор оружия с лазерным излучателем - экран тренажера").
Техническая реализация датчика координат на основе фотолинеек
Наиболее интересной, в плане создания оптической системы, стала идея раздельной регистрация координат при использовании для регистрации современной элементной базы.
Основным элементом оптико-электронного преобразования в предлагаемой схеме регистрации является разновидность перспективных оптических преобразователей - приборов с зарядовой связью (ПЗС, в английской аббревиатуре - CCD - charge-coupled devices) - ПЗС линейка. Ниже вкратце рассмотрим основные преимущества и недостатки использования данного элемента.
Прежде всего, отметим жёсткий растр. В твердотельных приборах растр задаётся с высокой точностью в процессе изготовления структуры прибора, так что геометрические искажения получаемого изображения определяются только качеством оптики. Ещё одно достоинство ПЗС - отсутствие инерционности. В матрицах ПЗС накопленный сигнальный заряд полностью выводится при переносе кадра - и к началу следующей экспозиции секция накопления заряда пуста.
Как правило, накопительными элементами в ПЗС-линейках служат фотодиоды; по обе стороны от линейки накопительных элементов располагаются регистры считывания (соответственно для чётных и нечётных элементов - билинейная организация). Номенклатура выпускаемых сейчас линеек довольно широка, а число фоточувствительных элементов колеблется от 1024 до 8192 и более, а кадровая частота может достигать сотен килогерц.
Итак, перейдем к описанию технической реализации оптико-электронной измерительной системы. Схема данной системы представлена на рис. 3.3.3. схематично изображен источник излучения, который в разрабатываемой системе будет являться отражением лазерного луча от экрана ИМО. Лучи этого источника проходят через оптический фильтр (на рисунке опущен), в функции которого входит пропуск только лазерного из лучения, и попадают в измерительную камеру, которая состоит из двух одно-линзовых объективов. Линзы имеют форму объекта, полученного отсечением от цилиндра плоскостью, параллельной оси цилиндра, фигуры, объем которой меньше объема оставшейся части цилиндра - так называемая плоская цилиндрическая линза. Линзы расположены в одной плоскости, соответствующие оси симметрии линз перпендикулярны друг другу. Геометрией линз обеспечивается развертка (фокусирование) света источника в линию, перпендикулярную основанию цилиндра линзы. Так как оси симметрии линз взаимно перпендикулярны, изображение источника света в фокальной плоскости линз формируется в две взаимно перпендикулярные световые линии.
В фокальной плоскости перпендикулярно световым линиям располагаются фотодатчики. Таким образом, где бы ни находился источник света (в пределах рабочей зоны), он отобразится пропорционально своему положению на оба фотодатчика (по соответствующим осям). В качестве фотодатчиков предлагается использование ПЗС линеек, которые при умеренной стоимости (порядка 500 руб.) обеспечат необходимые значения точности, надежности и технологичности.
Справа на рисунке представлено расположение камеры с фотолинейками относительно экрана ИМО для равнинного варианта использования тренажера (в горном варианте по координате Y камера располагается в более выгодном положении, чем в равнинном). Теоретически, проблемы с недостатком точности измерений могут возникнуть в областях экрана ИМО, максимально удаленных от выгодного расположения камеры - то есть по краям экрана. Чтобы заранее снизить влияние такого положения, линзы предлагается располагать так, чтобы максимальная фокусировка соблюдалась именно для точек с периферии. Это отражено на рисунке: лучи, преобразованные правой линзой, собираются в левом краю ПЗС линейки и на осциллограмме видно, что ширина импульса достаточно малая, а амплитуда большая - налицо фокусировка. Через левую линзу лучи собираются в районе центра ПЗС линейки. На осциллограмме виден гораздо более широкий сигнал с заметно меньшей амплитудой - фо кусировка отсутствует. После того, как сигнал принят ПЗС линейкой, его необходимо обработать. Сигнал с линейки необходимо преобразовать в цифровую форму. Так как необходимо зафиксировать лишь наличие (или отсутствие) сигнала в требуемой зоне, аналого-цифровое преобразование предельно упрощается до компаратора напряжения (уровень настройки опорного напряжения компаратора показан на осциллограмме кадровой развертки ПЗС линейки пунктиром). После оцифровки необходимо сделать обработку сигнала так, чтобы на оцифрованной осциллограмме остался один импульс (или ни одного, если камера ничего не приняла), начало которого в начале первого импульса оцифровки, а конец - в конце последнего. Это необходимо в основном для позиций в центре экрана ИМО, отраженные лучи с которых не фокусируются на ПЗС линейке и могут содержать многократное пересечение порогового напряжения. После обработки достаточно засечь положение начала и конца обработанного оцифрованного импульса в кадре данных линейки, определить линейно его центр и выдать результат дальше. Как видно из рисунка оба канала (обработка по оси X и Y) работают абсолютно одинаково и независимо. Это упрощает процесс проектирования, наладки, производства.
В качестве излучателей в системе применены инфракрасные лазерные полупроводниковые диоды. Излучатель должен находиться на имитаторе оружия, а так как имитатор по ТЗ должен имитировать 70 % от реальной отдачи, на все компоненты установленные на имитаторах действуют высокие вибрационные нагрузки. В связи с этим, первоначально, для применения в системе с регистраторами на основе фотодиодов были подобраны ИК-лазерные диоды требуемой мощности, но по ТУ эти диоды не могли выдерживать вибрационные нагрузки. Поэтому было решено вынести лазер за пределы имитатора, оставив на нем только оптический формирователь, а излучение с лазера передавать по световоду. В результате первоначальный вариант реализации излучателя состоял из лазера, установленного на контроллере имитатора оружия (КИО), свето вода, соединяющего КИО с имитатором и оптического формирователя состоящего из корпуса объектива и линзы. Схема представлена на рис. 3.4.1.
