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 годахна 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 годахна международной НТК, посвященной 50-летию ИжГТУ в 2002 г.- на международном форуме «Высокие технологии — 2004» в 2004 г. (г. Ижевск) — Пятой Всероссийской НТК «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» (г.Тула, ТулГУ, 2006 г.) — Всероссийской НТК «АСУИТ-2006», (г. Пермь, ПГУ, 2006г).
Макет тренажера демонстрировался на совещании с представителями Росвооружения (г. Кубинка, 2004 г.), представителям НАТО и КНР (г. Москва, лето 2006 г.). 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 6 112, 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.
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.
