Разработка методик и средств контроля параметров дробового оружия с использованием телекамеры

Актуальность темы

.

Гладкоствольное оружие нашло широкое распространение в охоте, как в спортивной, так и промысловой. Другое массовое применение гладкоствольного оружия — это спорт, а именно, стендовая стрельба. Необходимо отдельно отметить боевое применение гладкоствольного оружия.

Обязательным этапом технологического процесса производства является контроль параметров оружия, в первую очередь, контроль точности, кучности и равномерности боя. Массовое производство дробового оружия требует разработки систем и методов измерений, обеспечивающих малую погрешность измерений, высокую производительность и низкую стоимость испытаний.

Параметры дробового оружия в ходе его эксплуатации изменяются. Время от времени необходимо проводить контроль текущих параметров оружия и выстрела из этого оружия. В этих испытаниях важно обеспечить необходимые и безопасные условия испытаний, гарантирующие необходимое качество проверки оружия, при минимуме затрат на испытания.

В области исследования дробового выстрела известные работы A.A. Зернова, Б. А. Крейцера, И. П. Степанова, С. А. Батулина, А. П. Ивашенцова, H.A. Изметинского, JI.E. Михайлова, М. Журнэ, Э. В. Штейнгольда, И. А. Арбузова. В области автоматизации измерений параметров стрелкового оружия можно отметить работы: Ю. В. Веркиенко, B.C. Казакова и других. Существующие автоматизированные системы измерений параметров дробового выстрела в большинстве случаев дают лишь качественную оценку параметров дробового выстрела и требуют большого времени для проведения испытаний.

Измерение параметров дробового выстрела имеет свою специфику. Эта специфика не может быть учтена без создания математической модели дробового выстрела и требует разработки методик и средств контроля параметров дробовой осыпи, получаемой в результате выстрела из дробового оружия, и параметров оружия, из которого был проведен этот выстрел.

Задачи построения математической модели дробовой осыпиметодик оценки параметров измерительной системыформирования, разработки и создания измерительной системы, обеспечивающей повышения качества, снижения времени и стоимости испытаний дробового оружия, как в условиях промышленных испытаний, так и в условиях индивидуальной проверки дробового оружия являются актуальными.

Объект исследования.

Методы и средства контроля параметров дробового оружия.

Предметами исследования являются: методы математического описания дробовой осыпи в плоскости мишени, учитывающие дальность стрельбы, номер дроби и тип оружияметоды оценки параметров дробового выстрела в условиях ограничений на размер мишени, методики контроля параметров дробового выстрела с использованием автоматизированных измерительных систем на основе цифровой телекамеры.

Цель работы состоит в разработке научно-технических решений, направленных на создание автоматизированных методик испытаний и средств контроля параметров дробового оружия, позволяющих повысить точность оценки параметров дробового оружия, снизить стоимость и время проведения испытаний, повысить их безопасность.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать математическую модель дробовой осыпи, учитывающую дистанцию стрельбы, номер дроби, тип оружия;

— определить требования к измерительной системе, обеспечивающей качественный контроль параметров дробового оружия, с учетом количества дробин в снаряде и величины их потерь;

— разработать методы и алгоритмы обработки цифрового телевизионного изображения мишени с дробовыми отметками, работающие в реальном масштабе времениопределить требования к телекамере;

— разработать методы компенсации проекционных и оптических искажений, определяемых телевизионной измерительной системой, методы снижения погрешностей оценок, обусловленные конструктивными особенностями мишени;

— экспериментально оценить эффективность разработанных математических моделей и алгоритмов по обеспечению контроля параметров дробового оружия;

— разработать программное обеспечение измерительной системы для проведения автоматизированных испытаний, оценки и документирования результатов испытаний.

Методы исследования.

При разработке математических моделей применялась теория вероятностей и математической статистики, теория внешней баллистики. При разработке измерительной системы на основе телевизионной мишени — теория вычислительной математики, теория погрешностей, теория распознавания образов, теория цифровой обработки изображений, теория геометрической оптики, теория телевизионных измерительных систем, теория программирования и алгоритмов.

В экспериментальных исследованиях использовались методы моделирования статистических зависимостей и методы натурных испытаний на действующих образцах дробового оружия.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждается теоретическими и экспериментальными исследованиями с применением вычислительного эксперимента, компьютерного моделирования и натурных испытаний.

Теоретические положения и математические модели, полученные в работе, обосновываются последовательным и корректным применением математического аппарата при выборе аналитических выражений, сопоставлением полученных теоретических результатов с известными экспериментальными данными и эмпирическими соотношениями.

Достоверность экспериментальных исследований обеспечивается большим объемом экспериментального материала, полученного как путем компьютерного моделирования, так и натурных испытанийвыбором надежных критериев при оценке работы алгоритмов обработки информации и при оценке погрешностей измерения параметров дробового — выстреланаглядностью интерпретации практических результатов.

Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученная лично автором, заключается в следующем:

— предложена, обоснована и исследована математическая модель дробового выстрела, основанная на статистических закономерностях дробовой осыпи на плоскости мишени, учитывающая дистанцию стрельбы, номер дроби и тип оружия;

— созданы и исследованы методики оценки параметров дробовой осыпинайдены статистические зависимости между погрешностями измерений средней точки попадания и среднеквадратичного отклонения, и числом дробин, участвовавших в эксперименте;

— разработаны методики учета влияния формы и размеров мишени на результаты измерений;

— созданы работающие в реальном масштабе времени алгоритмы подавления влияния фона и фильтрации шумов телевизионного изображения мишени, алгоритмы описания, распознавания и классификации дробовых отметок, включая сдвоенные отметки;

— исследованы и разработаны методики снижения погрешностей оценок координат дробовых отметок, обусловленных проекционными и оптическими искажениями.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— сформулированы рекомендации, позволяющие проектировать измерительные системы с учетом условий испытаний дробового оружияразработаны аналитические и графические методики расчета размеров мишеней, учитывающие потери части дробин;

— показано, что при контроле параметров выстрела в качестве базового параметра расчета предпочтительнее использовать среднее значение выборочной дисперсии;

— при создании автоматизированной измерительной системы, предназначенной для контроля параметров дробового выстрела, использованы предложенные методики и алгоритмы, определены требования к телекамере и конструкции;

— создан комплекс программ для проведения испытаний на автоматизированной измерительной системе «АИС-Д» по контролю параметров изделия.

Разработанная система «АИС-Д» обеспечивает:

— бесконтактное определение параметров дробовой осыпи диаметром от 1,5 мм и темпом стрельбы до двух выстрелов в минуту на дистанциях стрельбы 10. 50 м;

— оценку положения средней точки попадания дробовой осыпи с погрешностью не превышающей 1 мм, оценку значения среднеквадратичного отклонения с погрешностью не превышающей 1 мм, причем погрешность определения координат не более 2 мм, доля потерянных дробин в круг диаметром 750 мм не превышает 0,2%.

Реализация и использование результатов работы.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке автоматизированной измерительной системы, допущенной к опытно-промышленной эксплуатации в ОАО «Концерн «Ижмаш». Разработанные в диссертации методики измерений, алгоритмы фильтрации и обработки изображений применяются в учебном процессе в ИжГТУ, результаты работы используются при выполнении дипломных проектов и магистерских диссертаций.

Апробация работы.

Основные результаты докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях (НТК) «Информационные системы в промышленности и образовании» в 2007;2010 годах (ИжГТУ, г. Ижевск), на НТК.

Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства" (ИжГТУ, г. Ижевск) в 2006;2009 годах, на научной конференции-семинаре «Теория управления и математическое моделирование» в 2008 году (ИжГТУ, г. Ижевск), 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 НТК «Информационные технологии в промышленности и образовании», посвященной 50-летию кафедры ВТ (ИжГТУ, г. Ижевск 2009 г.), на I Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов, посвященная 25-летию кафедры «приборы и методы контроля качества» «Измерение, контроль и диагностика — 2010» (ИжГТУ, г. Ижевск).

Личный вклад автора.

Автором выполнена постановка задач для достижения поставленной цели, сформулированы и обоснованы вынесенные на защиту положения. Представленные в диссертации математические модели, алгоритмы и методики контроля дробового оружия, проведенные на их основе исследования, получены автором лично. Автоматизированная измерительная система «АИС-Д» разработана и испытана на кафедре «Вычислительная техника» под руководством доцента Казакова B.C. при непосредственном участии автора.

Публикации.

Всего по теме диссертации опубликовано 16 работ (из них 3 — в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов, одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, указателя литературы из 103 наименований. Работа содержит 171 страниц машинописного текста, включая 70 иллюстраций, 29 таблиц и Приложения на 6 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана и исследована математическая модель дробового выстрела в виде нормального распределения дробовой осыпи по ортогональным осям на плоскости мишени и в виде распределения Релея как функции радиуса разлета дроби, с учетом дистанции стрельбы, номера дроби, типа оружия.

2. Разработаны методики расчета параметров дробового выстрела, в частности, методики расчета: радиуса разлета дробовой осыпи, средней точки попадания дробовой осыпи, среднеквадратичного отклонения дробовой осыпи, кучности и равномерности боя, учитывающие дальность стрельбы, номер дроби, тип оружиянайдены статистические зависимости между погрешностями измерений и числом дробин, участвовавших в эксперименте.

3. Созданы методики учета влияния формы и размеров мишени, на результаты измеренийметодики оценки значений средней точки попадания и среднеквадратичного отклонения дробовой осыпи и методики коррекции влияния ошибок, вызываемых потерями части дробин при выстреле, в частности, потерями за счет урезания области регистрации дробовых отметокразработаны аналитические и графические методы расчета размеров мишени.

4. Разработаны и исследованы алгоритмы и методики подавления влияния фона на телевизионном изображении мишени, алгоритмы фильтрации шумовалгоритмы бинаризации с фиксированным и адаптивным порогом, обеспечивающие повышение надежности распознавания и классификации дробовых отметок. Разработаны алгоритмы построчного (растрового) последовательного описания дробовых отметок на цифровом изображении мишени, алгоритмы отсеивания отметок ложных пробоин, методики восстановления положения отдельных дробовых отметок из сдвоенных отметок. Алгоритмы позволяют выполнить обработку изображений мишени в реальном масштабе времени.

5. Созданы методы и алгоритмы снижения погрешностей оценки координат дробовых пробоин, определяемые проекционными и оптическими искажениями, вносимыми измерительной системой, а также методы снижения погрешностей оценок дробового выстрела, обусловленных конструктивными особенностями мишени.

6. Показано, что по результатам натурных испытаний при оценке параметров дробового выстрела в качестве базового параметра предпочтительнее использовать среднее значение выборочной дисперсии.

7. Экспериментальная проверка предложенных в работе методик и алгоритмов, выполненная путем моделирования в среде MathCAD и путем испытаний измерительной системы с реальным оружием показала, что положение средней точки попадания дробовой осыпи оценивается с погрешностью не превышающей 1 мм, значения среднеквадратичного отклонения с погрешностью не превышающей 1 мм, погрешность определения координат не превышает 2 мм, доля потерянных дробин в круг диаметром 750 мм не превышает 0,2%, что обеспечивает проверку параметров дробового оружия на соответствие требованиям стандартов.

8. Разработана структура измерительной системы для определения параметров дробового выстрелаопределены требования к конструкции системысоздано программное обеспечение, реализующее предложенные алгоритмы определения параметров дробового выстрела, сохранение результатов и проведение испытаний на автоматизированной измерительной системе «АИС-Д». Система «АИС-Д» допущена для опытно промышленной эксплуатации в ОАО «Концерн «Ижмаш». Отдельные алгоритмы, связанные со статистическими измерениями, с обработкой и распознаванием изображений используются в учебном процессе в ИжГТУ в соответствующих дисциплинах.