基于正交高速攝影的人槍動態(tài)特性實驗研究

宮鵬涵，周克棟，赫 雷，黃雪鷹，張俊斌

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京210094；2.軍械工程學(xué)院 火炮工程系，石家莊050003；3.中國人民解放軍63856部隊，吉林 白城137001）

自動步槍抵肩射擊的過程是由步槍和射手構(gòu)成的人槍系統(tǒng)在火藥燃?xì)狻⒒顒訖C(jī)件撞擊等沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)過程。清楚了解武器射擊時人槍系統(tǒng)的運動特性，如槍械的水平后坐、水平側(cè)偏和垂直俯仰等運動參數(shù)，對于人槍系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立及人槍最佳動力匹配的研究具有重要的意義。國內(nèi)南京理工大學(xué)李永新、包建東等人曾通過在射手上方放置一傾斜45°的平面鏡，運用單臺高速攝影機(jī)在一個視角同時獲得56式7.62mm沖鋒槍射擊時槍械在水平和垂直2個方向上的運動［1－3］。但由于當(dāng)時實驗設(shè)備及實驗條件有限，通過平面鏡反射反映的特征點坐標(biāo)受實驗環(huán)境因素影響較大。

某無托型自動步槍是我軍裝備數(shù)量最大、適用范圍最廣的單兵作戰(zhàn)武器，國內(nèi)學(xué)者圍繞該武器就如何提高射擊精度，改善人機(jī)工效等方面進(jìn)行了大量的研究，但對該武器射擊時人槍系統(tǒng)實際運動規(guī)律的研究還未見報道。本研究以該無托型自動步槍為研究對象，運用2臺高速攝影機(jī)從右側(cè)和頂部2個視角同步測量的方法獲得該步槍連發(fā)射擊時人槍系統(tǒng)的運動過程，著重分析槍械的水平后坐、水平側(cè)偏和垂直俯仰這3個運動的測量與數(shù)據(jù)處理方法。研究結(jié)果對于完善槍械的結(jié)構(gòu)設(shè)計、提高槍械的射擊精度具有重要的參考價值。

1 人槍動態(tài)特性高速攝影測試系統(tǒng)

由于火藥燃?xì)馀c槍械運動件作用在槍身的載荷持續(xù)時間很短，均屬于ms級，具有沖擊載荷的特點，人、槍運動狀態(tài)的變化十分劇烈。根據(jù)測量方法的不同，人槍運動的測量主要分為2種：一是采用慣性式傳感器實施接觸式測量，二是采用光電或攝影法實施非接觸測量［4］。其中，高速攝影作為非接觸測量的一種，不僅能跟蹤物體高速運動變化的過程，還能為高速動態(tài)實驗提供豐富的實驗信息［5－6］。本研究所建立的人槍動態(tài)特性高速攝影測試系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由攝影和圖像處理2部分組成，通過在人體及自動步槍上的主要部位固定若干標(biāo)記點，運用攝影部分和圖像處理部分識別和處理這些標(biāo)志，以測得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

攝影部分選用的美國IDT Y3－S2型和Phantom V641型2臺高速攝影機(jī)均采用先進(jìn)的傳感器技術(shù)，分辨率高、曝光時間短，最大幀率可達(dá)140 000s－1，不僅有利于消除動態(tài)像移，獲得清晰的圖像，還具有適應(yīng)性強(qiáng)的同步裝置，能夠滿足人槍動態(tài)特性實驗運動變化劇烈的特點，較好地觀測、記錄射擊時人槍系統(tǒng)的運動過程；圖像處理部分選用軟件ProAnaly，該軟件是專為錄影中測量的運動數(shù)據(jù)、運動規(guī)律而設(shè)計的一個全向性自動跟蹤和數(shù)據(jù)分析軟件，能自動跟蹤及測量視頻中物體各項動態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 人槍動態(tài)特性高速攝影測試系統(tǒng)

2 實驗方案與方法

人槍動態(tài)特性實驗中，測試對象是由射手和某無托型自動步槍組成的人槍系統(tǒng)。射擊時，射手手持該自動步槍抵右肩立姿射擊。

2.1 運動特征點的設(shè)置

射手射擊時，步槍在空間中的運動可分解為槍的后坐運動、槍的側(cè)偏運動和槍的俯仰運動，人槍系統(tǒng)相對于人體臀部有明顯的俯仰和水平扭轉(zhuǎn)運動。圍繞射擊時這些人槍運動參數(shù)的定量獲取，依據(jù)人體主要關(guān)節(jié)分布情況、自動步槍的結(jié)構(gòu)及立姿射擊時人槍運動的特點，在武器和射手身上設(shè)置6個運動特征點，如圖2所示。各特征點：①位于槍管右側(cè)，消焰器后端；②位于下護(hù)蓋右側(cè)后端，與機(jī)匣連接處；③位于人體右肩，肩胛右側(cè)；④位于人體腰部，右胯附近；⑤位于槍管上部，消焰器后端；⑥位于瞄準(zhǔn)鏡連接座上部，照門前端。

圖2 人槍系統(tǒng)特征點布置示意圖

用2臺高速攝影機(jī)分別從右側(cè)和頂部2個方向讀取這些標(biāo)記點的運動（位置變化）。由特征點①、②的位置變化可確定步槍前后位移參數(shù)。此外，為獲取槍身俯仰、槍身側(cè)偏、人體俯仰的運動情況，可分別作①、②測點，③、④測點及⑤、⑥測點間的連線，求出各直線的斜角。射擊過程中斜角的變化就是槍身俯仰、人體俯仰及槍身側(cè)偏的變化。以①、②測點為例，確定槍身俯仰角變化的計算方法為

式中：α為俯仰的直線斜角，Δα為俯仰角位移，下標(biāo)i表示捕獲的特征點次序；X1，Y1分別表示右視圖中測點①的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；X2，Y2分別表示右視圖中測點②的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

由于射擊時人槍系統(tǒng)的運動是既有轉(zhuǎn)動、又有后坐平動的多自由度空間運動，在對人槍運動特征點拍攝和解析過程中，中間處理環(huán)節(jié)較多，不可避免地會引入各種誤差來源。尤其是人體上的測點③、④，由于人體在步槍沖擊作用下的變形，不便由其上讀取特征點的運動來確定人體的整體運動，只能對其加以估計。

2.2 高速攝影機(jī)的設(shè)定

該自動步槍射頻600min－1，3發(fā)點射自動機(jī)完成3次射擊循環(huán)大約需要0.3s，其中自動機(jī)復(fù)進(jìn)到位對機(jī)匣撞擊時間最短（約1ms）。因此，以該時間為最小識別范圍，要想細(xì)致捕捉武器射擊時各特征時刻對槍口位置影響的動態(tài)特性參數(shù)，采樣頻率應(yīng)大于分析頻率的2倍，即攝影機(jī)的拍攝幀率必須達(dá)到2 000s－1以上。實驗時，根據(jù)運動特征點的大小及人、槍運動的幅度，以能清晰捕捉到特征點的運動軌跡為目標(biāo)，綜合考慮攝影機(jī)放置距離、焦距、曝光時間等因素，設(shè)置右側(cè)的高速攝影機(jī)分辨率為1 280×800像素；設(shè)置上方的高速攝影機(jī)分辨率為1 248×1 600像素；根據(jù)以往經(jīng)驗及射擊時步槍的實際運動情況，步槍的俯仰較水平側(cè)偏明顯，因此，設(shè)置右側(cè)的高速攝影機(jī)拍攝速度為4 800s－1，為便于同步分析某一時刻槍身的俯仰和側(cè)偏情況，設(shè)置上方高速攝影機(jī)的拍攝頻率為右側(cè)攝影機(jī)拍攝頻率的一半，即2 400s－1。

2.3 實驗視頻數(shù)據(jù)的采集與存儲

為保證能拍攝到實驗射手瞄準(zhǔn)、扣扳機(jī)、擊發(fā)、后坐等所需的全過程，采用相同的下降沿觸發(fā)信號同時觸發(fā)2臺高速攝影機(jī)，采集觸發(fā)前1 000ms及觸發(fā)后4 000ms的所有視頻數(shù)據(jù)，保存時采用MOTION PRO軟件進(jìn)行視頻快速預(yù)覽，然后存貯有效的圖像信息。

3 實驗數(shù)據(jù)處理

3.1 實驗數(shù)據(jù)提取

將高速攝影所獲得的視頻文件導(dǎo)入ProAnalyst軟件，首先設(shè)定視頻采集頻率和圖像文件比例尺，然后定義圖像跟蹤區(qū)域以及跟蹤目標(biāo)點進(jìn)行自動跟蹤，最后選擇需要輸出的各特征點位移、速度的數(shù)據(jù)文件。

3.2 基于小波分析的實驗信號提取

受到人體及武器固有頻率、高速攝影系統(tǒng)本身存在的跟蹤誤差以及光照等各類因素的影響，通過ProAnalyst軟件分析獲得的實驗數(shù)據(jù)含有較大的噪聲。在對這種非穩(wěn)態(tài)、信噪比低的含噪信號識別中，如何保留信號中的特征點就顯得尤為重要。

小波分析作為一種信號的時間頻率分析方法，能夠聚焦到信號的任意細(xì)節(jié)進(jìn)行多分辨率的時頻分析，在降噪領(lǐng)域得到了較大的應(yīng)用［7－10］。小波降噪通常通過以下4個步驟實現(xiàn)［8］：

①對含噪信號進(jìn)行預(yù)處理，便于后續(xù)處理；

②對含噪信號進(jìn)行小波變換，求各尺度的小波系數(shù)；

③小波分解高頻系數(shù)的閾值化，即根據(jù)設(shè)定閾值函數(shù)和閾值對信號進(jìn)行去噪處理；

④小波逆變換重構(gòu)信號。

從以上4個步驟可以看出，如何選擇閾值和如何利用閾值來量化小波系數(shù)是小波降噪的關(guān)鍵所在，它直接影響到信號消噪的質(zhì)量。國內(nèi)外學(xué)者圍繞最優(yōu)閾值做了大量的研究工作，文獻(xiàn)［11］針對水下目標(biāo)的信號信噪低且真實的信號被淹沒在噪聲之中的特點，提出了一種基于自適應(yīng)閾值函數(shù)的小波去噪方法，該方法能夠在濾除噪聲的同時很好地保留信號的奇異性特征。針對人槍動態(tài)特性高速攝影獲取數(shù)據(jù)噪聲大的特點，本研究采用基于自適應(yīng)閾值函數(shù)的小波閾值去噪方法，選擇閾值函數(shù)：

式中：x為獲得的原始信號，r為閾值，m為參數(shù)。m值越小，處在臨界區(qū)的小波系數(shù)就越多，可以在收縮噪聲系數(shù)的情況下更好地保留信號細(xì)節(jié)小波系數(shù)，從而保持信號原有的局部特征點信息。

降噪處理時，首先根據(jù)該閾值函數(shù)獲取各個尺度上的最佳閾值函數(shù)，進(jìn)而利用Stein Unbiased Risk Estimate無偏估計求取最小均方差意義上的最佳閾值進(jìn)行去噪處理，最后通過小波逆變換獲得去噪后的信號。圖3是運用ProAnalyst軟件直接獲得的單發(fā)射擊時槍身前后方向速度曲線，圖4是采用自適應(yīng)閾值函數(shù)小波去噪后的速度曲線，結(jié)果顯示使用該濾波方法在濾除噪聲的同時能夠較好地保留人槍系統(tǒng)運動特征點的細(xì)節(jié)信息，圖中各特征點：a表示擊錘撞擊擊針時，對槍身向前較小的沖擊；b表示槍彈發(fā)火后，槍膛合力對槍身向后的沖擊；c表示拋殼時彈殼撞擊拋殼挺引起槍身前后速度的變化；d表示自動機(jī)后坐到位撞擊緩沖器及槍托時對槍身的沖擊；e表示槍機(jī)向前推下一發(fā)槍彈時，槍機(jī)與槍彈碰撞對槍身向后較小的沖擊；f表示槍機(jī)推彈及槍機(jī)啟動斜面與機(jī)匣節(jié)套啟動斜面相接產(chǎn)生的碰撞對槍身前后運動的影響；g表示自動機(jī)向前復(fù)進(jìn)到位時對槍身的沖擊。

圖3 ProAnalyst軟件獲得的槍身速度曲線

圖4 降噪后的槍身速度曲線

4 實驗結(jié)果分析

為了保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性及有效性，實驗對1名射手分別進(jìn)行了20次3連發(fā)射擊高速攝影運動捕捉，測量結(jié)果表明，盡管人、槍運動的特征值大小略有散布，但人、槍運動軌跡的波形是相似的，射擊過程中槍支上跳、后坐的總趨勢是一致的。其中1組3發(fā)點射時各運動特征點的運動特性如圖5～圖11所示，圖中，s1為前后位移。

由圖5可以看出，在第1發(fā)槍彈發(fā)火的瞬間，人體肩部的水平坐標(biāo)相對于槍托的水平坐標(biāo)有一滯后量，約5.3mm，這是槍身后坐壓縮射手肩部的肌肉、骨骼的過程。肩部的軟組織被壓實之后，人體隨槍身一同后坐。

圖5 人槍前后方向位移曲線

圖6 槍身前后方向速度曲線

由圖6可以看出，自動步槍實際射擊時的工作循環(huán)大約為90ms左右。在一個射擊循環(huán)中，槍身速度在前后方向共有6次比較明顯的變化，具體標(biāo)示見圖4，其中，槍膛合力的作用（b）、自動機(jī)后坐到位的撞擊（d）和自動機(jī)復(fù)進(jìn)到位的撞擊（g）對槍身運動的影響較大。

由于消焰器固定在槍管前端，圖2中特征點①的位移變化基本可以反映槍口的上下位移變化［12］，如圖7所示。由圖7槍口上下位移s2的變化曲線可以看出，槍身上下位移變化在23mm左右，遠(yuǎn)小于槍身前后方向位移的變化。

圖7 槍口上下方向位移曲線

由圖8～圖11可以看出，槍械的俯仰運動要比偏轉(zhuǎn)劇烈。圖中，θ是槍身俯仰角位移，ψ是槍身側(cè)偏角位移，ω1是槍身俯仰角速度，ω2是槍身側(cè)偏角速度，3發(fā)點射結(jié)束的瞬間，槍口俯仰角位移向上偏轉(zhuǎn)約0.05rad。

圖8 槍身俯仰角位移曲線

圖9 槍身俯仰角速度曲線

圖10 槍身側(cè)偏角位移曲線

圖11 槍身側(cè)偏角速度曲線

由圖5、圖8、圖10可以看出，槍膛合力盡管對槍身后坐速度影響較大，但由于其作用時間非常短，其作用期間對槍口角位移的變化較小，均在0.02rad以內(nèi)。為進(jìn)一步分析槍膛合力、自動機(jī)后坐到位和復(fù)進(jìn)到位撞擊對該步槍3發(fā)點射射擊精度的影響，根據(jù)弧度與角度的變化關(guān)系，計算各特征時刻槍口的俯仰角度變化，如表1所示。

表1 槍口俯仰角及側(cè)偏角變化

表1中每一發(fā)槍彈中記錄的3個時刻分別表示每發(fā)槍彈射擊過程中槍膛合力達(dá)到最大、自動機(jī)后坐到位和自動機(jī)復(fù)進(jìn)到位時槍身角位移的變化情況。自動機(jī)后坐到位時，槍口角位移并未達(dá)到最大，如第1發(fā)射擊0.045s后坐到位時，槍口上仰0.65°；0.084s自動機(jī)向前復(fù)進(jìn)到位時，槍口上仰為1.80°。這是由于步槍對人體的沖擊使人體姿態(tài)也發(fā)生了一定的變化，從而進(jìn)一步說明連發(fā)射擊時射手合理控制步槍對于提高射擊精度具有重要的作用。

5 結(jié)論

①采用正交高速攝影的測量方法獲得了某無托型自動步槍立姿連發(fā)射擊時的人槍系統(tǒng)運動特性，其中包括槍械的水平后坐、水平側(cè)偏和垂直俯仰等運動參數(shù)。

②實驗結(jié)果表明，人槍系統(tǒng)的運動規(guī)律與該自動步槍發(fā)射時自動機(jī)實際運動傳遞給人槍系統(tǒng)的激勵相關(guān)，其中槍膛合力的作用、自動機(jī)后坐到位的撞擊和自動機(jī)復(fù)進(jìn)到位的撞擊對槍身的運動影響較大。

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