Введение к работе
Актуальность темы. Производство и эксплуатация стрелкового оружия требуют оценки таких параметров стрельбы как начальная скорость пули Vo, баллистический коэффициент с, скорость движения пули на дистанциях 10, 25, 50 м (V\o, F25, F50) и координаты точки попадания пули в мишень у о, zq. В ИжГТУ имени М.Т. Калашникова разработана и успешно эксплуатируется в промышленности автоматизированная контрольно-измерительная система (КИС), построенная с использованием световых экранов (плоскостей) и позволяющая оценивать координаты точки попадания пули в мишень в автоматическом режиме.
Данная система определяет траекторию полета пули путем оценки координат точек пересечения пулей световых плоскостей, расположенных под различными углами к траектории полета пули. Координаты точек попадания пули в мишень рассчитывают с применением уравнений внешней баллистики. Знание координат точек попадания позволяет оценить меткость и кучность стрельбы, выполнить операции по приведению оружия к нормальному бою, оценить соответствие оружия требованиям стандартов на изготовление и эксплуатацию.
Сложность контрольно-измерительных систем и решаемых ими задач, необходимость высокой эффективности технологического процесса испытаний оружия с точки зрения его организации и техники безопасности испытаний, снижение погрешности измерений, уменьшение затрат, особенно при проведении массовых испытаний, требование совершенствования и развития как стрелкового оружия, так и контрольно-измерительных систем, все это делает тему диссертационной работы актуальной.
Степень разработанности темы исследования. Вопросам внешней баллистики на современном этапе в области вращательного движения и расчета траектории снаряда в воздухе посвящены работы Н.В. Майевского, Н.А. Забуд-ского, Ф. Сиаччи, теоретическим основам внешней баллистики, решению прямой задачи внешней баллистики - работы Я.М. Шапиро, А.А. Коновалова, Ю.В. Николаева и др., вопросам построения КИС на световых экранах - работы Ю.В. Веркиенко, B.C. Казакова и др. Дальнейшее развитие КИС, повышение её функциональных возможностей и информативности испытаний требуют повышения точности измерения координат точек при попадании пули в мишень. Решение указанных задач определило выбор цели, задач, объекта и предмета исследований.
Объектом исследования являются методы и приборы обработки информативных сигналов в системах испытаний стрелкового оружия.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы оценки параметров стрелкового оружия на измерительных комплексах с использованием световых экранов, структура измерительных комплексов, модели сигналов на входе оптических датчиков, закономерности формирования отклика на выходе датчиков световых экранов, методики обработки сигналов с оптических датчиков, математические модели трасс и световых мишеней.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка методов и алгоритмов снижения погрешности при измерении координат точек попадания пули в мишень в автоматизированной контрольно-измерительной системе на основе световых экранов, что позволит расширить функциональные возможности системы и увеличить информативность каждой серии испытаний.
Для достижения поставленной цели решаются задачи:
определение зависимости энергетической величины потока излучения от энергетической яркости и размеров площадки излучателя и чувствительности площадки приемника;
разработка новых моделей с использованием уравнений внешней баллистики в качестве уравнений моделей мишеней и баллистических трасс;
минимизация количества излучателей и оптико-электронных преобразователей с применением цифровых измерений и обработки, а также с выбором оптимального расположения, обеспечивающего высокую обусловленность уравнений;
разработка моделей тени пули, энергетического сигнала на входе оптико-электронного преобразователя (датчика), усилителя фототока (фильтра), определения времени пересечения центром массы пули светового экрана с учетом траектории полета пули на дистанции, с учетом угла установки светового экрана, а также углов нутации и прецессии пули;
разработка методики определения коэффициента пересчета для определения момента времени пересечения центром массы пули светового экрана по измерениям моментов времени входа пули в световой экран и выхода из него;
исследование моделей и натурные испытания с определением коэффициента пересчета и уровней порога сигналов, по которым принимается решение о входе пули в световой экран и выходе из него.
Методология и методы исследований. В работе для теоретических исследований применялись методы системного анализа и теории информационно-измерительных систем, аналитической геометрии, погрешностей измерений. При разработке и идентификации моделей, баллистических трасс и мишеней использовались теория дифференциальных уравнений, теория чувствительности и обусловленности решения, регрессионный анализ и метод наименьших квадратов. Для исследования моделей и теоретических зависимостей использованы статистическое моделирование и результаты натурных испытаний. Исследование моделей и их идентификация осуществлялись с помощью математических пакетов Mathcad и Maple. При разработке макета контрольно-измерительной системы испытаний использовались методы теории управления технологическими процессами, теории автоматического управления, измерительной техники, схемотехники, теории цифровых вычислительных машин, цифровой обработки информации и программирования.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- показано, что на величину погрешности измерений момента времени пе
ресечения центром массы пули светового экрана влияют: параметры осветителя
и приемника светового экрана; методика определения момента времени пересе
чения экрана центром массы пули; угол встречи пули со световым экраном, за
висящий от угла установки экрана, от угла, определяемого траекторией полета
пули, от углов нутации и прецессии пули;
- определены оценки совместной весовой функции световой плоскости и
оптикоэлектронной системы; построена весовая функция световых плоскостей;
найдена зависимость весовых функций от размеров длины осветителя, ширины
светового экрана, формы светового экрана, координат пролета пули через све
товой экран;
показано, что для произвольного угла вхождения пули в световой экран и произвольной толщине светового экрана весовая функция становится нелинейной и не может быть представлена простыми математическими выражениями; показано, что оптикоэлектронная система, построенная с использованием операционных усилителей, приводит к нарушениям симметрии совместной весовой функции и, соответственно, к различию сдвига оценок времен входа и выхода пули из экрана относительно времени пересечения экрана центром массы пули; разработана методика определения действительной тени пули при различном угле входа пули в световой экран;
обоснована структура имитационной модели и получено ее математическое описание с четырьмя и пятью световыми экранами, разработаны алгоритмы идентификации математических моделей, учитывающих действительное положение световых экранов, позволяющие провести эксперименты по определению траектории полета пули с заданной точностью измерений;
показано на имитационной модели и экспериментально подтверждено на физической модели контрольно-измерительной системы то, что снизить погрешность измерений параметров выстрела можно путем использования коэффициента, выполняющего пересчет моментов входа и выхода пули из светового экрана в момент времени пересечения светового экрана центром массы пули по предложенной формуле; коэффициент пересчета имеет случайную природу и может быть оценен путем статистических испытаний на модели контрольно-измерительной системы и на действующей контрольно-измерительной системе.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Получены выражения, позволяющие определить момент времени пересечения светового экрана центром массы пули конечной длины по моментам времени входа и выхода пули из светового экрана.
Построена весовая функция световых экранов; найдена зависимость весовых функций от размеров длины осветителя, ширины светового экрана, формы светового экрана, координат пролета пули через световой экран.
Показано, что для произвольного угла вхождения пули в световой экран и произвольной толщине светового экрана весовая функция становится нелинейной и не может быть представлена простыми математическими выражениями.
Найдена проекция тени реальной пули на световую плоскость для произвольного угла входа пули в световую плоскость.
Определены требования к осветителю светового экрана. Показано, что ленточный осветитель обеспечивает хорошую линейность расположения светящейся нити осветителя и равномерность свечения. Серьезными недостатками ленточного осветителя является его громоздкость, большое потребление мощности и пожароопасность; модуляция светового потока в точках теплового контакта нити с подвесом. Предложен излучатель на лампах накаливания нового поколения, обеспечивающий равномерность светового потока по всей длине излучателя и снижение на порядок потребляемой мощности по сравнению с ленточными излучателями.
Определены требования к фотоприемнику фотоэлектронного преобразователя. В качестве фотоприемника выбран фотодиод ФД-24К, как наиболее соответствующий требованиям фотоприемника светового экрана, работающего на отрицательный контраст. Показано, что совместная весовая функция световой и
оптоэлектронной систем несимметрична относительно момента пересечения светового экрана центром массы пули.
- Построена модель контрольно-измерительной системы с четырьмя и пя
тью световыми экранами, позволяющая провести эксперименты по оценке зна
чения коэффициента пересчета к, который обеспечивает минимальное значение
среднеквадратичного отклонения для оценки положения центра массы пули в
момент пересечения светового экрана. Использование коэффициента пересчета
к в действующем макете контрольно-измерительной системы снизило погреш
ность при оценке координат точек попадания пули в мишень примерно в 1,5
раза. Снижение погрешности определения моментов пересечения центром мас
сы пули светового экрана обеспечивает снижение погрешности определения
других внешнебаллистических параметров, таких как начальная скорость пули,
скорость движения пули на дистанциях 10, 25, 50 м.
Практическая ценность результатов работы подтверждается актом внедрения в НИР по разработке КАИС-КБП предприятием НТЦ «Вычислительная техника» в 2008 году (акт внедрения имеется).
Положения, выносимые на защиту:
методика нахождения весовой функции светового экрана для пули бесконечно малого диаметра и конечной длины, методика определения действительной тени пули на световой экран при произвольном угле наклона пули и экрана;
модель тени пули и сигнала на входе светового экрана с учетом углов нутации и прецессии и наклона светового экрана;
метод снижения погрешности оценки координат и алгоритм определения момента времени пересечения центром массы пули светового экрана по измерениям моментов времени входа пули в световой экран и выхода из него;
определение минимально допустимого порога, достаточного для исключения помех, достижения максимальной эффективности использования времени при пересечении экрана центром массы пули при определении оптимального значения коэффициента пересчета, обеспечивающего снижение погрешности оценки координат точек при пересечении пулей светового экрана;
обоснование применения цифрового осциллографа для нормализации сигнала, а также для выбора порога оценки моментов входа и выхода пули из светового экрана;
модель световой мишени контрольно-измерительной системы, позволяющая провести эксперименты по изучению влияния параметров контрольно-измерительной системы на определение точки пересечения центром массы пули светового экрана.
Степень достоверности работы определяется корректным применением математических методов, использованием фундаментальных положений физики, механики и схемотехники. Достоверность подтверждается совпадением результатов вычислений различными методами, результатов моделирования и вычислений с результатами натурных испытаний.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях: «Ученые ИжГТУ - производству» в 2006-2009 годах; на Всероссийской НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» в 2006 и 2008 годах; на 5-й Всероссийской НТК «Информационные системы и
модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (г. Тула, Тул-ГУ, 2006); на Всероссийской НТК «АСУИТ-2006» (г. Пермь, 2006); Всероссийской НТК «Наука. Технологии. Инновации» (НТИ-2008, г. Новосибирск, НГТУ, 2008); на Международной НПИК «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве и образовании 2008 (2009)» (г. Одесса, УКР-НИИМФ, 2008, 2009), на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, ПТУ, 2013).
Материалы работы обсуждались на НТС предприятий при выполнении НИР с организациями и предприятиями холдинга Ижмаш (г. Ижевск, 2007-2008 г), Вятско-Полянский машзавод (г. Вятские поляны, 2009 г) и в/ч 33491 (г. Санкт-Петербург, 2008 г).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 15 работ (из них 4 работы в изданиях из перечня ВАК, 3 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, указателя литературы из 100 наименований и приложения. Работа содержит 158 страниц машинописного текста, включая 89 рисунков и 15 таблиц.
