На правах рукописи
УДК 681.518.3+623.546+531.55
Вдовин Алексей Юрьевич
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ СВЕТОВЫХ ЭКРАНОВ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНЕШНЕБАЛЛИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Специальность: 05. 13. 01 — Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и технике)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Ижевск – 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего
профессионального образования «Ижевский государственный технический
университет» (ГОУ ВПО ИжГТУ).
Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, д.т.н., профессор  Веркиенко Юрий Всеволодович (г. Ижевск) Научный консультант: к.т.н., профессор
Казаков Виктор Степанович (г. Ижевск)
Официальные оппоненты: д.т.н., профессор
Ларкин Евгений Васильевич (г. Тула)
д.т.н., профессор
Нистюк Анатолий Иванович (г. Ижевск)
Ведущая организация: Институт прикладной механики УрО РАН, г. Ижевск.
Защита состоится 29 апреля 2010 г. в 1600 часов
на заседании диссертационного совета Д212.065.06 в ИжГТУ
по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ. С авторефератом можно ознакомиться на официальном сайте ИжГТУ: www.istu.ru.
Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7, ученому секретарю диссертационного совета.
Автореферат разослан «___» марта 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к. т. н., доцент В.Н. Сяктерев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. 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  , баллистический коэффициент  , 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, Робинс, 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 (до- и 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 ( и  ); не определяются внешнебаллистические параметры одновременно в нескольких точках трассы; применяются блоки питания излучателей и нестандартные блоки согласующих и пороговых устройств, увеличивающие погрешность и повышающие стоимость системы; используемые 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 среду.
В 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 внешнебаллистических 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 системы;
оптимизация расположения световых экранов при известных и неизвестных координатах точек попадания, обеспечивающего минимизацию погрешностей определения внешнебаллистических параметров;
разработка алгоритмов цифровой обработки информационных сигналов, обеспечивающих повышение вероятности принятия правильного решения о наличии/отсутствии полезного сигнала и повышение точности определения моментов пересечения световых экранов пулей;
разработка и реализация системы определения внешнебаллистических параметров пуль, её программно-технического обеспечения;
проведение 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 баллистики;
созданы 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 воздуха;
разработана методика определения внешнебаллистических параметров, позволяющая рассчитывать эти параметры при плохой обусловленности системы уравнений внешней баллистики;
определено 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 ,  ,  .
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», а также внедрены в учебный процесс в ИжГТУ.
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.
|
