RU2832398C1 - Способ регистрации координат попадания по мишени и акустическая электронная мишень - Google Patents

Abstract

Использование: для определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют регистрацию моментов времени прохождения фронта звуковой ударной волны через акустические датчики, при этом, используя две пары микрофонов, строят две гиперболы, причем каждая из гипербол строится в виде массива связанных друг с другом отрезков, определяют общую точку пересечения отрезков из двух массивов, которая является искомой координатой X, Y попадания пули или снаряда. Технический результат: повышение точности определения координат попадания пуль или снаряда в мишень. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Проблема регистрации точных координат попадания в мишень из стрелкового оружия традиционно решалась непосредственным изучением мест пробития в бумажной мишени. Этот подход обеспечивает удовлетворительные затраты времени при небольшом количестве стрелков в стрелковой галерее и малых дистанциях поражения мишени для последующего изучения результатов отстрела.

Развитие стрелкового спорта, военной подготовки стрелков, а также увеличение дистанций поражения мишеней требует иного подхода к проблеме регистрации точных координат попадания в мишень. В настоящий момент существуют различные подходы для решения данной проблемы.

Самым простым способом является использование оптических приборов с большой кратностью для непосредственного наблюдения мест попадания по мишени. Недостатками данного способа является ограниченность максимальной дистанции наблюдения, необходимость смены бумажной мишени после большого количества попаданий, большие временные затраты для перевода точки наблюдения на другую мишень, сложность наблюдения в плохих погодных условиях, таких как туман, дождь, снег. Кроме этого, к недостаткам данного способа следует отнести невозможность автоматического подсчета результатов попадания по мишени.

Развитие электронных средств наблюдения позволяют частично решить вышеперечисленные проблемы. Установленные камеры вблизи мишени позволяют вести наблюдение в плохих погодных условиях на больших дистанциях, однако необходимость периодической замены мишени и автоматический подсчет результатов попадания остается нерешенной проблемой.

Из уровня техники известны следующие технические решения: Регистрирующая мишень, состоящая из панели, выполненной из акустически однородного материала со встроенными в нее акустическими датчиками, связанными с блоком определения координат попаданий, соединенным с вычислительным устройством, подключенным к устройству отображения результатов стрельбы, отличающаяся тем, что панель выполнена из броневой стали в виде грудной мишени с обозначенным кругом, который развязан с основной панелью через виброизоляторы и выполнен также из броневой стали (Патент РФ на полезную модель №190955, Регистрирующая мишень, дата приоритета 12.03.2019, заявка №2019107027).

Устройство для определения координат попадания пуль, содержащее мишень, выполненную в виде прямоугольной рамы, закрытой спереди и сзади замкнутой резиновой лентой с образованием измерительной камеры, внутри которой расположены четыре акустических датчика, выходы которых соединены с усилителями, и блок вычисления координат попадания, отличающееся тем, что оно снабжено блоком измерения временных интервалов, при этом выходы усилителей подключены к блоку вычисления координат попадания пуль через блок измерения временных интервалов, включающий четыре управляемых одновибратора, четырехвходовую логическую схему «И», четыре триггера управления, четыре двухвходовые логические схемы «И», четыре счетчика и тактовый генератор, причем выходы усилителей через управляемые одновибраторы подключены к четырехвходовой логической схеме «И» и единичным входам триггеров управления, при этом выход четырехвходовой логической схемы «И» подключен к счетным входам триггеров управления, прямые выходы триггеров управления подключены к первым входам двухвходовых логических схем «И», вторые входы которых связаны с тактовым генератором, а выходы этих двухвходовых логических схем «И» подключены к входам счетчиков, выходы которых связаны с блоком вычисления координат попадания, кроме того, управляющий выход блока вычисления координат попадания связан со вторыми входами управляющих одновибраторов и входами «Сброс» счетчиков (патент РФ на изобретение №2367885, Устройство для определения координат попадания пуль, дата приоритета 24.03.2008, заявка №2008111192).

Электронные мишени, работающие на принципе электрического контакта в различных зонах поражения свободны от вышеперечисленных проблем, и позволяют организовать автоматический подсчет результатов попадания, однако не позволяют определить точные координаты попадания.

Известным способом регистрации координат попадания по мишени и свободным от вышеперечисленных недостатков является способ, основанный на акустической регистрации ударной волны от пролетающей со сверхзвуковой скоростью пули или дозвуковой пули, поражающей экран, установленный за мишенью. Способ определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов, включающий регистрацию моментов времени прохождения фронта звуковой волны через акустические датчики, установленные по крайней мере на одной мишени в количестве, выбранном по числу неизвестных в регрессионной или математической модели мишени, одним из которых является начало отсчета времени, соответствующее моменту пролета пули или снаряда через плоскость мишени, вычисление характеристик движения по регрессионной или математической модели мишени с помощью вычислителя, отличающийся тем, что каждую мишень выполняют в виде пулепробиваемой пластины из материала, расчетная скорость звука в котором в условиях местоположения мишени больше расчетной скорости звука в среде размещения мишени, при этом в заданное число неизвестных в регрессионной или математической модели мишени включают фактическую скорость звука в материале мишени (Патент РФ на изобретение №2470252 Способ определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов, дата приоритета 07.07.2011, заявка №2011128198). Недостатком предложенного способа является погрешность, возникающая из-за сложности определения скорости звука в материале мишени в следствии его структурной неоднородности, а также невозможность регистрации пролета пули в непосредственной близости от пулепробиваемой пластины.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является автоматизированный электронно-акустический тир, состоящий из трех акустических датчиков, блоков приема и передачи данных от датчиков, ЭВМ для обработки и визуализации результата, отличающийся тем, что акустические датчики находятся перед мишенью, позволяя определять координаты пули по фронту ударной волны, кроме этого, для автоматизированного просчета погрешностей и выдачи более точных результатов добавлена метеостанция, при этом применяются беспроводные средства передачи данных от датчиков на ЭВМ, что обеспечивает установку акустических датчиков на любое удаление от огневой позиции (Патент РФ на полезную модель №170590 Автоматизированный электронно-аккустический тир, дата приоритета 09.06.2016, заявка №2016122971.

Для регистрации акустической ударной волны используют микрофоны, расположенные вблизи мишени. Данный способ основан на измерении временных интервалов между моментами срабатывания пары микрофонов от пришедшей ударной волны. При пролете пули на равном расстоянии от каждого из микрофонов определенной пары, данные микрофоны сработают одновременно, т.е. временной интервал срабатывания будет равен нулю. При смещении координаты прилета в сторону одного из микрофонов разница в моменте срабатывания будет увеличиваться пропорционально разнице в расстояниях до микрофонов пары.

Однако, для определения точных координат пролета пули одной пары микрофонов недостаточно. Условие, при котором разница в моменте срабатывания пары микрофонов пропорциональна разнице в расстояниях до этих микрофонов позволяет провести гиперболу, проходящую между этими микрофонами в пространстве и удовлетворяющая условию равенства разнице в расстояниях до этой пары микрофонов.

Для определения точных координат пролета пули требуется как минимум еще одна пара микрофонов. Данная пара будет иметь собственную разницу в моменте срабатывания микрофонов и соответственно свою гиперболу возможных решений равенства разницы в расстояниях до микрофонов.

Искомая точная координата пролета пули есть точка пересечения двух гипербол от двух пар микрофонов.

При данном подходе к определению координат пролета следует отметить, что максимальная разница в моменте срабатывания пары микрофонов Δt определяется как:

где Vs - скорость звука м/с, L - расстояние между парой микрофонов, м.

Таким образом, для определения точных координат пролета пули необходимо электронное устройство для регистрации моментов прихода ударной волны на мембрану микрофонов и необходимы точные координаты самих микрофонов.

Ошибка в точности определения координат прилета будет складываться из ошибок в точности регистрации момента срабатывания каждого из микрофонов, причем, ошибка в 1 мкс при скорости звука в 350 м/с составит 0,35 мм.

Целью изобретения является повышение точности определения координат попадания пуль или снаряда в мишень.

Поставленная цель достигается за счет того, что способ определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов, включает регистрацию моментов времени прохождения фронта звуковой ударной волны через акустические датчики. Программная часть вычислителя реализована с применением алгоритма расчета точки пересечения двух гипербол, построенных с использованием двух пар микрофонов, каждая из гипербол строится в виде массива связанных друг с другом отрезков и далее используется алгоритм поиска отрезков из двух массивов, имеющих общую точку пересечения, вычисленная точка пересечения отрезков является искомой координатой X, Y попадания пули или снаряда. Максимальное количество микрофонов, как и количество гипербол может быть любым с последующим усреднением результатов расчетов.

Акустическая мишень для регистрации координат попадания пулями различных калибров со скоростями более 400 метров в секунду на дистанциях от 10 метров и более, обеспечивающая погрешность измерения координат не более 5 мм, содержит микрофоны, которые имеют свободное размещение, передатчик, приемное устройство и устройство визуализации результатов. Передатчик имеет в своем составе расчетный блок для определения координат попадания, которые пересылает на устройство визуализации, а микрофоны используются в виде микрофонных блоков. Микрофонные блоки расположены в одной плоскости с мишенью и каждый микрофонный блок состоит из двух микрофонов, подключенных к расчетному блоку. Точные координаты микрофонных блоков относительно центра мишени указываются при подготовке акустической мишени к стрельбе.

Свободная конфигурация расположения микрофонных блоков относительно центра мишени их малые габариты и масса вместе с передатчиком позволяет использовать это устройство для стрельбы по движущимся и качающимся мишеням.

Расчетный блок в составе передатчика производит расчет и пересылку координат попадания за время не более 60 миллисекунд, что позволяет регистрировать темп стрельбы по мишени до 1000 выстрелов в минуту.

Устройство визуализации на базе мобильных устройств (планшет, ноутбук, смартфон и т.п.) с программой приема и отображения результатов позволяет собирать информацию с нескольких мишеней, отображать внешнее изображение мишени, место попадания, координату попадания, рассчитывать очки, рассчитывать хит-фактор по всем используемым мишеням, вести протокол отстрела с последующей обработкой результатов.

Микрофонные блоки, передатчик и приемное устройство имеют всепогодное исполнение с диапазоном рабочих температур от -30 до +50°С.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг. 1. Принципиальная схема подключения микрофона M1 к измерительному блоку на базе микроконтроллера ESP32S3. Где R1 - подтягивающий резистор, С1 - развязывающий конденсатор. Потенциал в точке (В) определяется соотношением сопротивлений R2, R3 и выражается как: Ub=VCC/(R2+R3)*R3. Опорное напряжение REF задается микроконтроллером ESP32S3. С2 - емкость для сглаживания пульсаций.;

Фиг. 2. Схема с расположением 2-х микрофонных блоков M1, М2 (вид сверху);

Фиг. 3. Вариант построения гиперболы между микрофонными блоками М1-М3;

Фиг. 4. Пример графического решения определения реальной координаты пролета пули;

Фиг. 5. Схема связи акустической мишени с устройством визуализации.

Фиг. 6. Примеры схем свободного размещения микрофонных блоков.

Способ регистрации координат попадания по мишени заключается в следующем:

Измерительная часть содержит три или более микрофонных блока, каждый из которых состоит из пары микрофонов (например, электретных), отстоящих друг от друга на некотором расстоянии и помещенных в пластиковый корпус. Схема подключения каждого микрофона к микроконтроллеру представлена на фиг.1.

Ударная звуковая волна, воздействуя на мембрану микрофона M1 приводит к возникновению нарастающего фронта по напряжению в точке (А) и через развязывающий конденсатор С1 воздействует на не инвертирующий вход компаратора U1A. При превышении уровня напряжения, установленного на инвертирующем входе REF происходит срабатывание компаратора, что регистрируется микроконтроллером на входе IRQ.

Наличие емкостной развязки (С1) позволяет использовать микрофоны с большим разбросом по электрическим свойствам.

Конденсатор С1 также выполняет функцию фильтра низких частот, что снижает риск ложных срабатываний от низкочастотных громких звуков.

Использование управляемого микроконтроллером опорного напряжения на входе компаратора (REF) позволяет управлять чувствительностью измерительной части и настроить систему на максимальную чувствительность при отсутствии ложных срабатываний.

Регистрация электрического потенциала в точке (А) подключения микрофона к подтягивающему резистору R1 позволяет отслеживать аварийные ситуации с микрофонным блоком и кабелем подключения к вычислителю (при обрыве провода потенциал будет равен напряжению питания, при коротком замыкании будет равен нулю).

Расстояние между микрофонами позволяет регистрировать скорость прохождения ударной волны и тем самым рассчитывать скорость пролета пули/снаряда.

где Speed - Скорость пули, dT - временной интервал срабатывания переднего и заднего микрофона, L - расстояние между микрофонами.

Оптимальное расстояние между микрофонами в микрофонном блоке составляет от 80 до 140 мм, что обеспечивает приемлемые габаритные размеры микрофонного блока и точность регистрации скорости пролета. Например, при расстоянии между микрофонами 100 мм, при скорости пролета пули 700 м/с и при точности регистрации событий 1 мкс будем иметь ошибку в определении скорости ~ 0.7%.

Увеличение расстояния между микрофонами будет снижать эту ошибку, уменьшение расстояния, напротив, увеличивать. Но при заявленном диапазоне размеров (80-140 мм) эта ошибка будет менее 1%.

Другим преимуществом использования микрофонного блока, состоящего из пары микрофонов, является возможность расчета угла прилета.

Схема с расположением 2-х микрофонных блоков M1, М2 представлена на фиг.2. На фиг.2 (А) представлен случай пролета пули через центр мишени под прямым углом. В данном случае моменты срабатывания микрофонов M1.1, М2.1 и M1.2, М2.2 будут одинаковы, также будут одинаковы временные интервалы срабатываний левого и правого микрофонного блока Т1 и Т2.

В случае углового пролета пули через центр мишени (фиг.2 (Б)) очередность срабатывания микрофонов будет следующая: M1.1, M1.2, М2.1, М2.2. Причем временной интервал между срабатыванием левого микрофонного блока Т1 увеличится, а временной интервал правого микрофонного блока Т2 уменьшится.

Формула для расчета угла пролета α, (град) в общем случае будет следующая:

где T1, Т2 - временные интервалы срабатываний левого и правого микрофонного блока, мкс; L - высота микрофонного блока, мм.; К - поправочный коэффициент, зависящий от скорости пули в момент пролета и имеющий значение в диапазоне 12…10. Например, для скорости пули 680 м/с этот коэффициент буде равен 11.3 и при разнице в интервалах срабатывания (Т1-Т2) равной 106 мкс. получим угол прилета α равным ~ 10 град.

Расчетный блок акустической мишени представляет собой аппаратно-программный комплекс, реализованный на базе микропроцессора (например ESP32S3), имеющего тактовую частоту не менее 240 МГц и обеспечивающий временную точность регистрации событий по прерыванию не хуже, чем 1 микросекунда. Беспроводная передача данных может быть реализована как при помощи встроенных модулей передачи данных (Wi-Fi, Bluetooth) так и при помощи радио модулей, работающих различных частотах (2.4 ГГц, 868 МГц и пр.).

Программная часть вычислителя реализована с применением алгоритма расчета точки пересечения двух гипербол, построенных с использованием двух пар микрофонов. На фиг.3 представлен вариант построения гиперболы между микрофонами М1-М3.

В случае пролета пули через среднюю точку между микрофонами M1 и М3 ударная волна достигнет мембран этих микрофонов одновременно. При смещении пролета пули, например, влево от средней точки микрофон M1 сработает раньше микрофона М3. По разнице времен срабатывания dT(1-3) микрофонов M1 и М3 мы можем рассчитать смещение от центральной точки Н(1-3).

где SSpeed - скорость звука в воздухе.

Эта формула справедлива, если траектория пули пересечет отрезок L(1-3). В действительности, существует бесконечное множество точек, удовлетворяющих условию, когда разница в моментах срабатывания микрофонов M1 и М2 будет одинаковой (см. фиг. 3).

Кривая, удовлетворяющая этим условиям, называется гиперболой. При добавлении еще одной пары микрофонов появляется возможность построить вторую гиперболу, бесконечное множество точек на которой будет удовлетворять другой разнице в моментах срабатывания микрофонов. По аналогии с уравнением (4) можем записать:

Однако общая точка (точка пересечения) для этих гипербол будет всего одна, она и будет определять реальную координату пролета пули. Графическое решение такого примера представлено на фиг.4.

Здесь расчетная координата пересечения двух гипербол G(1-3) и G(2-4) является некая точка с координатой X, Y.

Программный алгоритм поиска решения точки пересечения реализован следующим образом: каждая из гипербол строится в виде массива связанных друг с другом отрезков. Далее используется алгоритм поиска отрезков из двух массивов, имеющих общую точку пересечения. Вычисленная точка пересечения отрезков является искомой координатой X, Y.

Следует отметить, что данный алгоритм поиска координаты пролета может быть реализован с минимальным количеством микрофонов равным 3 м, произвольно расположенными в плоскости мишени и позволяющий построить две взаимно пересекающиеся гиперболы. Причем максимальное количество микрофонов, как и количество гипербол может быть любым с последующим усреднением результатов расчетов.

Принципиальная схема подключения одного из микрофонов к контроллеру заявляемой акустической мишени приведена на фиг.5. Каждый микрофонный блок состоит из двух микрофонов, разнесенных на одинаковое расстояние (от 80 до 140 мм) и подключенных к контроллеру в соответствии с принципиальной схемой (фиг.5). При использовании 4-х микрофонных блоков в акустической мишени количество подключенных микрофонов будет равно 8. Микрофонные блоки соединены кабелем с расчетным блоком на базе микроконтроллера в программном обеспечении которого реализован алгоритм вычисления координат пролета пули/снаряда. Вычисленные координаты передаются на приемное устройство посредством передатчика по радиоканалу с последующим отображением на мобильном устройстве визуализации.. Микрофонные блоки могут располагаться на любом расстоянии от центра мишени (в пределах 0.5…5 метров) в ее плоскости с точным указанием координат микрофонных блоков, которые задаются при помощи мобильного устройства визуализации при подготовке акустической мишени к стрельбе. Варианты расположения трех и четырех микрофонных блоков в плоскости мишени представлены на фиг.6 (а-г). Количество микрофонных блоков не ограничено.

При подачи электрического питания на измерительный блок акустической мишени проводится самотестирование системы с целью определить доступность канала связи с устройством визуализации. При доступности устройства визуализации производится отправка данных телеметрии, включающая в себя следующие элементы:

1 - Состояние кабелей подключения к микрофонным блокам.

2 - Заряд батареи питания

3 - Температура окружающего воздуха

4 - Список возможных неисправностей

При подтверждении со стороны устройства визуализации о приеме отправленных данных измерительный блок переходит в режим регистрации ударных волн от пролетающих пуль/снарядов. Устройство визуализации в свою очередь регистрирует данную акустическую мишень с присвоением ей имени, определенного оператором (например: центр 300 метров; справа 170 метров; и т.п.).

При регистрации ударной волны измерительным блоком акустической мишени производится расчет координат, проверка на вхождение координат в допустимый диапазон, определенный для данной мишени с последующей отправкой координат, скорости пули/снаряда и угла прилета на устройство визуализации с графическим отображением точки попадания на мониторе устройства визуализации.

Claims (7)

1. Способ определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов, включающий регистрацию моментов времени прохождения фронта звуковой ударной волны через акустические датчики, отличающийся тем, что программная часть вычислителя реализована с применением алгоритма расчета точки пересечения двух гипербол, построенных с использованием двух пар микрофонов, каждая из гипербол строится в виде массива связанных друг с другом отрезков и далее используется алгоритм поиска отрезков из двух массивов, имеющих общую точку пересечения, вычисленная точка пересечения отрезков является искомой координатой X, Y попадания пули или снаряда.

2. Способ определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов по п. 1, отличающийся тем, что максимальное количество микрофонов, как и количество гипербол, может быть любым с последующим усреднением результатов расчетов.

3. Акустическая мишень для осуществления способа определения координат положения в пространстве и во времени пуль и снарядов по п. 1, содержащая микрофоны, которые имеют свободное размещение, передатчик, приемное устройство и устройство визуализации результатов, отличающаяся тем, что передатчик имеет в своем составе расчетный блок для определения координат попадания пуль и снарядов со скоростями более 400 м/с на дистанциях от 10 м и более, обеспечивающая погрешность измерения координат не более 5 мм, которые пересылает на мобильное устройство визуализации, а микрофоны используются в виде микрофонных блоков, расположенных в одной плоскости с мишенью, причем каждый микрофонный блок имеет два микрофона, подключенных к расчетному блоку, точные координаты микрофонных блоков относительно центра мишени указываются при подготовке акустической мишени к стрельбе.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что свободная конфигурация расположения микрофонных блоков относительно центра мишени, их малые габариты и масса вместе с передатчиком позволяет использовать это устройство для стрельбы по движущимся и качающимся мишеням.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что расчетный блок в составе передатчика производит расчет и пересылку координат попадания за время не более 60 мс, что позволяет регистрировать темп стрельбы по мишени до 1000 выстрелов в минуту.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что устройство визуализации на базе мобильных устройств (планшет, ноутбук, смартфон и т.п.) с программой приема и отображения результатов позволяет собирать информацию с нескольких мишеней, отображать внешнее изображение мишени, место попадания, координату попадания, рассчитывать очки, рассчитывать хит-фактор по всем используемым мишеням, вести протокол отстрела с последующей обработкой результатов.

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что микрофонные блоки, передатчик и приемное устройство имеют всепогодное исполнение с диапазоном рабочих температур от -30 до +50°С.