CN110986665B - 一种检测弹丸在膛内运动规律的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测弹丸在膛内运动规律的方法，通过在弹丸引信部中心安装一激光光源，并辅以CCD传感器，光幕靶和靶纸；当弹丸在身管内运动时，激光光源由于与弹丸同轴，且有弹带约束，所以激光光斑在靶纸上的运动轨迹可以反映弹丸在身管内的运动过程，后续通过对弹载三轴加速度记录仪，CCD传感器和高速摄像数据进行处理即可还原出弹丸在膛内运动轨迹。

Description

一种检测弹丸在膛内运动规律的方法

技术领域

本发明属于火炮内弹道技术领域，涉及一种检测弹丸在膛内运动规律的方法，具体地说，涉及一种基于高速摄像与弹载加速度记录仪的检测弹丸在膛内运动规律的方法。

背景技术

火炮作为一种成本较为低廉且支援较为迅速直接的武器必将在现代战争中发挥越来越重要的作用；因此如何进一步提高火炮的射击精度成为制约火炮发展的首要问题。影响火炮射击精度的因素有弹丸起始扰动、瞄准误差、气象观测误差、测地误差、装填条件、人工操作误差等，随着新技术在火炮系统上的广泛应用，新型的火控系统以及观察测量系统等大大的提高了火炮对于目标的瞄准、探测和测距的精度以及发射时气象条件的探测；新的制造工艺、新设备以及高性能计算机的引进也极大的减小了弹炮产品在制造时的固有误差，人为操作性误也在相应减少，在这种情况下，如何通过揭示弹丸在身管内的运动规律进而科学的设计弹丸及火炮身管的结构就成为当务之急。

现阶段首要问题是如何通过弹药与火炮结构的科学设计，从而使得火炮的射击精度得到进一步的提高。

弹丸的发射过程是一个极其复杂的动力学过程。发射过程中，弹丸与身管内壁发生复杂的相互作用，具体表现为弹丸既要在膛压的推动下沿炮管轴线平动，又要在膛线的导转作用下绕炮管轴线转动。由于弹丸在身管内运动的时间极短，温度压力极高，且射击环境恶劣，目前尚无有效的试验手段能够获取发射时弹丸在身管内的运动规律

目前在火炮发射动力学仿真研究中，由于带膛线身管的建模较为复杂，且计算效率低，使得模型求解精度不高。所以在国内外大多数的研究当中都选择将弹丸略去，通过研究身管的后座过程以及炮口的振动特性来预测弹丸在膛内的运动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种检测弹丸在膛内运动规律的方法。该方法以高速摄影与弹载加速度记录仪为基础，通过数据处理后，可还原弹丸在膛内的运动规律。

其具体技术方案为：

一种检测弹丸在膛内运动规律的方法，包括以下步骤：

在弹丸引信部中心安装一激光光源，在炮口一定距离处树一靶纸，用于高速摄像捕捉光斑运动轨迹；当弹丸在身管内运动时，激光光源由于与弹丸同轴，且有弹带约束，所以激光光斑在靶纸上的运动轨迹可以反映弹丸在身管内的运动过程。

进一步，以弹丸越过光幕靶的信号为CCD传感器与高速摄像机的中止信号，在数据处理阶段，利用弹载三轴加速度记录仪可以解算出弹丸在膛内的运动时间；以高速摄像以及CCD传感器记录的终点时刻向前追溯利用弹载三轴加速度记录仪解算出的弹丸在膛内的运动时间，这段时间即为计算所需时间。

进一步，对于高速摄像所捕获的画面在数据分析中应用超分辨率图像复原和序列数据融合等技术将坐标的分辨率提高至0.001mm。

进一步，当靶纸与炮口之间的距离远大于弹丸长度时，理论计算夹角与实际夹角之间的误差极小，当两者之间的距离相差100倍时，误差在千分之五以下。

进一步，CCD传感器采样率与高速摄像机采样率相同，且三轴弹载加速度测试仪采样率应为CCD传感器与高速摄像机采样率的整数倍。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

现有技术对弹丸运动规律的试验采集比较困难，其多是利用试验所捕获的炮口振动参数来推算弹丸在身管内的运动规律；另外对于炮口振动参数的实验多是通过在弹丸前端加装一定长度的测试杆，利用高速摄像机捕捉弹丸前端测试杆的运动轨迹，此轨迹只能反映弹丸在炮口处的运动规律；并且在火炮发射过程中，弹丸前端测试杆会对弹丸在身管内的运动规律产生较大影响，且每次实验都会对测试杆造成不可逆的损坏，大大增加了实验的成本。与现有技术相比，本发明不会对弹丸在身管内的运动产生任何影响，而且能够精确还原弹丸在整个身管内的运动规律，成本低廉，且可重复实验。

附图说明

图1.方案总体设计简图；

图2.方案总体设计侧视图；

图3.火炮身管示意图；

图4.身管坐标系示意图；

图5.靶纸坐标系示意图；

图6.误差来源示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1-图6，一种检测弹丸在膛内运动规律的方法，包括以下步骤：

在弹丸引信部中心安装一激光光源，在炮口设有炮口制退器8，在炮口一定距离处树一靶纸7，用于高速摄像捕捉光斑运动轨迹；当弹丸16在身管1内运动时，激光光源由于与弹丸同轴，且有弹带约束，所以激光光斑在靶纸7上的运动轨迹可以反映弹丸在身管1内的运动过程。

以弹丸越过光幕靶2的信号为CCD传感器3与高速摄像机4的中止信号，在数据处理阶段，利用弹载三轴加速度记录仪可以解算出弹丸在膛内的运动时间；以高速摄像以及CCD传感器3记录的终点时刻向前追溯利用弹载三轴加速度记录仪解算出的弹丸在膛内的运动时间，这段时间即为计算所需时间。

对于高速摄像所捕获的画面在数据分析中应用超分辨率图像复原和序列数据融合等技术将坐标的分辨率提高至0.001mm。

当靶纸与炮口之间的距离远大于弹丸长度时，理论计算夹角与实际夹角之间的误差极小，当两者之间的距离相差100倍时，误差在千分之五以下。

CCD传感器采样率与高速摄像机采样率相同，且三轴弹载加速度测试仪采样率应为CCD传感器与高速摄像机采样率的整数倍。

取弹带中心为基点，弹丸在身管内运动是以弹带中心为原点进行运动，即使弹带中心身管内有上下偏移，偏移量也极小，故可认为弹带中心在整个过程中都不会偏移身管轴线5，即使偏移，偏移量也极小，计算时可忽略。弹丸偏移后激光光路6如图1所示。

身管1包括药室9、坡膛10和导向部11。

假设火炮在发射时以坡膛10中心为基点进行上下跳动，设此基点到位移传感器距离l_CCD，到靶纸距离为l_hp，以两相互垂直的位移传感器为x,y轴建立身管跳动坐标系12，当火炮发射时，两传感器记录数据转化为坐标为(x_CCD,y_CCD),则当其投影在靶纸上时，坐标为

假设弹丸质心与弹带中心之前且两者之间的直线距离为l₀，弹带中心距离引信顶部激光光源距离为l，身管长为l₁，炮口距离靶纸l₂；以炮口中心在靶纸上的投影为原点，在靶纸上建立二维坐标系13。在经历时间Δt后，弹丸质心在身管内运动距离为l_t，激光光斑在靶纸上的投影坐标为(x_n,y_n)，设此时可知弹丸引信顶部在身管内所处坐标为(x′_n,y′_n)，则可求出弹丸在身管内与轴线的夹角为θ_zn，其余夹角可由(x_n,y_n)坐标求得。

以身管轴线为z轴建立描述弹丸在身管内运动的坐标系，引信部激光点在身管内各时刻的坐标可以表示(x′_n-x_hp,y′_n-y_hp,z′_n)；其中(x′_n,y′_n)，(x_hp,y_hp)可由上述公式求得，z′_n为引信部激光点在身管内的运动距离，可由弹载三轴加速度测试仪解算出(CCD传感器采样率应与高速摄像机采样率相同，且三轴弹载加速度测试仪采样率应为CCD传感器与高速摄像机采样率的整数倍)。

结合弹载加速度记录仪，可以知道在测试时长内弹丸的实时加速度，进而可以求出引信部激光点在身管内的运动距离，并将其与解算出的弹丸在身管内各时刻的坐标拟合即可得知弹丸在身管内每时刻的坐标即其运动轨迹。

当弹丸在身管内运动时，弹带中心不一定就是弹丸运动的基点，且弹带中心也不一定时刻处于身管轴线上。由于计算时，认为弹丸在膛内运动时，是以弹带中心为基点进行运动；所以理论计算会与实际情况有一定误差。假设实际可能偏移点14与弹带基点15之间距离为Δl，则理论计算偏转角为：

实际弹丸偏转角为：

当实际可能偏移点与弹带基点之间距离Δl远小于l₁+l₂-l_t+l₀时，误差基本可以忽略不计。

由于实验器材本身存在的误差，弹丸实际运动基点与靶纸之间距离和弹带中心与靶纸之间的距离不同都会引起误差。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种检测弹丸在膛内运动规律的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在弹丸引信顶部中心安装一激光光源，在炮口一定距离处树一靶纸，用于高速摄像捕捉光斑运动轨迹；当弹丸在身管内运动时，激光光源由于与弹丸同轴，且有弹带约束，激光光斑在靶纸上的运动轨迹能反映弹丸在身管内的运动过程；

取弹带中心为基点，弹丸在身管内运动是以弹带中心为原点进行运动，即使弹带中心在身管内有上下偏移，偏移量也极小，故可认为弹带中心在整个过程中都不会偏移身管轴线，即使偏移，偏移量也极小，计算时可忽略；身管包括药室、坡膛和导向部，设定火炮在发射时以坡膛中心为基点进行上下跳动，设此基点到位移传感器距离l_CCD，到靶纸距离为l_hp，以两相互垂直的位移传感器为x，y轴建立身管跳动坐标系，当火炮发射时，两传感器记录数据转化为坐标为(x_CCD，y_CCD)，则当其投影在靶纸上时，坐标为

设定弹丸质心与弹带中心之前且两者之间的直线距离为l₀，弹带中心距离引信顶部激光光源距离为l，身管长为l₁，炮口距离靶纸l₂；以炮口中心在靶纸上的投影为原点，在靶纸上建立二维坐标系；在经历时间Δt后，弹丸质心在身管内运动距离为l_t，激光光斑在靶纸上的投影坐标为(x_n，y_n)，设此时可知弹丸引信顶部在身管内所处坐标为(x′_n，y′_n)，则可求出弹丸在身管内与轴线的夹角为θ_zn，其余夹角可由(x_n，y_n)坐标求得：

以身管轴线为z轴建立描述弹丸在身管内运动的坐标系，引信顶部激光点在身管内各时刻的坐标可以表示(x′_n-x_hp，y′_n-y_hp，z′_n)；其中(x′_n，y′_n)，(x_hp，y_hp)可由上述公式求得，a为加速度，z′_n为引信顶部激光点在身管内的运动距离，可由弹载三轴加速度测试仪解算出；

结合弹载三轴加速度测试仪，可以知道在测试时长内弹丸的实时加速度，进而可以求出引信顶部激光点在身管内的运动距离，并将其与解算出的弹丸在身管内各时刻的坐标拟合即可得知弹丸在身管内每时刻的坐标即其运动轨迹；

当弹丸在身管内运动时，弹带中心不一定就是弹丸运动的基点，且弹带中心也不一定时刻处于身管轴线上；由于计算时，认为弹丸在膛内运动时，是以弹带中心为基点进行运动；所以理论计算会与实际情况有一定误差，假设实际可能偏移点与弹带基点之间距离为Δl，则理论计算偏转角为：

实际弹丸偏转角为：

当实际可能偏移点与弹带基点之间距离Δl远小于l₁+l₂-l_t+l₀时，误差忽略不计。

2.根据权利要求1所述的检测弹丸在膛内运动规律的方法，其特征在于，

以弹丸越过光幕靶的信号为CCD传感器与高速摄像机的中止信号，在数据处理阶段，利用弹载三轴加速度测试仪解算出弹丸在膛内的运动时间；以高速摄像以及CCD传感器记录的终点时刻向前追溯利用弹载三轴加速度测试仪解算出的弹丸在膛内的运动时间，这段时间即为计算所需时间。

3.根据权利要求2所述的检测弹丸在膛内运动规律的方法，其特征在于，

对于高速摄像所捕获的画面在数据分析中应用超分辨率图像复原和序列数据融合的技术将坐标的分辨率提高至0.001mm。

4.根据权利要求1所述的检测弹丸在膛内运动规律的方法，其特征在于，

当靶纸与炮口之间的距离远大于弹丸长度时，理论计算夹角与实际夹角之间的误差极小，当两者之间的距离相差100倍时，误差在千分之五以下。

5.根据权利要求1所述的检测弹丸在膛内运动规律的方法，其特征在于，

CCD传感器采样率与高速摄像机采样率相同，且弹载三轴加速度测试仪采样率应为CCD传感器与高速摄像机采样率的整数倍。

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