【裝備理論與裝備技術(shù)】

圖像延遲對(duì)持槍機(jī)器人射擊精度的影響

夏洪1, 張秀喜2

(1.東華理工大學(xué) 江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心，南昌330013；

2.中國(guó)人民解放軍91241部隊(duì)，廣西 貴港537225)

摘要：持槍機(jī)器人是安裝了槍械的無(wú)人武器平臺(tái)。使用者在遠(yuǎn)處操縱射擊，在監(jiān)視屏上瞄準(zhǔn)目標(biāo)。由于圖像傳輸需要時(shí)間，具有100～300 ms的延遲。為了研究使用持槍機(jī)器人過(guò)程中，延遲對(duì)于跑動(dòng)目標(biāo)命中率的影響，建立了在平坦開闊地帶，目標(biāo)(敵方士兵)不被擊中的臨界速度的計(jì)算式。并對(duì)于不同的延遲時(shí)間，計(jì)算了目標(biāo)以不同方向跑動(dòng)時(shí)，逃脫的臨界速度。分析計(jì)算結(jié)果表明：安裝了步槍或手槍的無(wú)人武器平臺(tái)，若有150 ms以上的延遲，目標(biāo)跑動(dòng)方向和子彈軌跡有15°以上的夾角，只要目標(biāo)不太慢，很容易逃脫。因此瞄準(zhǔn)時(shí)需要加以修正。

關(guān)鍵詞：無(wú)人武器平臺(tái)；步槍或手槍；圖像傳輸；延遲；射擊精度

收稿日期：2014-09-08

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然

作者簡(jiǎn)介：夏洪(1958—)，男，碩士，副教授，主要從事控制理論與控制工程、機(jī)器人工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.006

中圖分類號(hào)：TJ203

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0021-04

本文引用格式：夏洪, 張秀喜.圖像延遲對(duì)持槍機(jī)器人射擊精度的影響[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):21-24.

Citationformat:XIAHong,ZHANGXiu-xi.InfluenceofImageTransmissionDelaytoHittingPrecisionofGunRobot[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):21-24.

InfluenceofImageTransmissionDelaytoHittingPrecisionofGunRobot

XIAHong1, ZHANG Xiu-xi2

(1.JiangxiProvinceEngineeringResearchCenterofNewEnergyTechnologyandEquipment,

EastChinaInstituteofTechnology,Nanchang330013,China;

2.The91241stTroopofPLA,Guigang537225,China)

Abstract:Gun robots are unmanned weapon platforms with guns. Users operate them at a distance and aim target on screen of control box. Because image transmission needs time, the images would be delayed of 100～300 ms. To study the influence of the delay to hitting probability of shooting running targets in flat open land, we established a formula of critical speed that enemy soldiers can be shot. It calculated, for different image delay time, various critical speeds of the targets running in different directions. Based on the calculation results, we can conclude that as long as the targets are not too slow it is very easy for them to escape the shoot if the unmanned gun platforms with rifle or pistol have delay above 150 ms, and if angle between targets running direction and bullet track excesses 15° or above 15°. Thus the aiming method of the robots should be improved.

Keywords：unmannedgunplatform;rifleorpistol;imagetransmission;delay;hittingprecision

當(dāng)前一些國(guó)家為了減少戰(zhàn)爭(zhēng)中人員傷亡，大力發(fā)展可代替士兵的無(wú)人武器平臺(tái)[1-3]。持槍機(jī)器人是安裝了槍械的無(wú)人武器平臺(tái)。其典型有美制SWORDS，英制SWARM無(wú)人武器平臺(tái)等。圖1是國(guó)外某型持槍機(jī)器人。它們通常在輪式或履帶式無(wú)人車輛上安裝機(jī)槍，步槍，手槍，沖鋒槍等武器，操作者在幾十米之外或更遠(yuǎn)的隱蔽之處依靠監(jiān)視屏瞄準(zhǔn)目標(biāo)并操縱射擊。無(wú)疑這種機(jī)器人可以大大減少戰(zhàn)斗人員的危險(xiǎn)性，然而其射擊準(zhǔn)確度將受到圖像延遲的影響。本文將定量研究這種影響。這項(xiàng)研究有助于預(yù)測(cè)無(wú)人武器平臺(tái)的效能，為制定發(fā)展規(guī)劃提供參考，為設(shè)計(jì)制造提供依據(jù)。

1延遲時(shí)間τ對(duì)射擊精度的影響

持槍機(jī)器人監(jiān)視屏上的目標(biāo)圖像，需要經(jīng)過(guò)攝像，編碼，無(wú)線傳輸，解碼等過(guò)程，這些過(guò)程都需要時(shí)間。不同的圖像設(shè)備所需時(shí)間不同，一般的圖像處理延時(shí)約300ms，質(zhì)量很好的圖像設(shè)備也要延時(shí)約70ms[4,5]。若加上機(jī)槍固有的延遲，例如機(jī)械結(jié)構(gòu)延遲，子彈飛行時(shí)間，操作者的反應(yīng)時(shí)間等，延時(shí)在100ms以上。也就是說(shuō)，操作者在監(jiān)視屏上看到的目標(biāo)圖像是100～300ms之前的圖像。

本文將研究機(jī)槍機(jī)器人的延遲時(shí)間τ對(duì)于射擊的影響，并提出適合機(jī)槍機(jī)器人的瞄準(zhǔn)掃射方法。

圖1　國(guó)外某型無(wú)人武器平臺(tái)

考慮平坦開闊的無(wú)障礙物的戰(zhàn)場(chǎng)。機(jī)槍的俯仰角為零，即槍管保持水平。對(duì)于這種情況只須研究俯視圖。取坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2　持槍機(jī)器人和目標(biāo)的俯視圖

1.1目標(biāo)橫向跑動(dòng)時(shí)τ對(duì)射擊的影響

研究敵士兵橫向跑動(dòng)，即沿著與X軸平行方向跑動(dòng)的情況。敵士兵側(cè)面對(duì)著機(jī)槍。取目標(biāo)寬度為白種人青年男性的平均胸厚Th，Th為0.22m[6]。

通過(guò)監(jiān)視屏瞄準(zhǔn)目標(biāo)正中，從監(jiān)視屏上看到的位置圖像是τ時(shí)刻之前的目標(biāo)位置。假設(shè)射擊準(zhǔn)確，即彈著點(diǎn)與瞄準(zhǔn)點(diǎn)重合。子彈到達(dá)瞄準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，耗時(shí)為τ。若敵士兵以速度Vx勻速跑動(dòng)，則τ時(shí)間內(nèi)移動(dòng)距離為L(zhǎng)x=τVx。顯然，如果Lx小于Th/2，則子彈擊中目標(biāo)，Lx大于Th/2不能擊中。在此，不區(qū)分擊斃和擊傷。對(duì)于給定的τ，Vx大于臨界值Cr1，則不能擊中。經(jīng)計(jì)算，τ和Cr1關(guān)系見表1。

瞄準(zhǔn)目標(biāo)身體上的前端點(diǎn)，則Lx小于Th時(shí)子彈擊中目標(biāo)。對(duì)于給定的τ，Vx大于臨界值Cr2，則不能擊中。經(jīng)計(jì)算，τ和Cr2關(guān)系如表1所示。

表1　目標(biāo)橫向跑動(dòng)時(shí)，延遲時(shí)間和臨界速度的關(guān)系

1.2目標(biāo)豎向跑動(dòng)時(shí)τ對(duì)射擊的影響

若敵士兵在Y軸上跑動(dòng)，只要不讓目標(biāo)在τ時(shí)間內(nèi)跑出射程，τ不影響射擊精度。

現(xiàn)研究敵士兵沿著與Y軸平行方向與Y軸有一段距離跑動(dòng)，離槍越來(lái)越近，速度為Vy，如圖3所示。

圖3　目標(biāo)豎向跑動(dòng)時(shí)，機(jī)器人和目標(biāo)的俯視圖

θ°取典型值45°，60°，75°， 計(jì)算出目標(biāo)被擊中的臨界速度，見表2。0°<θ<90°，τ對(duì)射擊精度有不同程度的影響。

表2　目標(biāo)豎向跑動(dòng)時(shí)，延遲時(shí)間和臨界速度的關(guān)系

從表2可知，θ為75°，τ為0.15 s，敵士兵達(dá)到16.076 s/100 m，就可以不被擊中。而有些青年士兵可以達(dá)到這個(gè)速度。通常，圖像延遲加上其他延遲的τ為0.3 s，敵士兵達(dá)到32.151 s/100 m，就可不被擊中，而青年士兵很容易達(dá)到這個(gè)速度。θ角為60°時(shí)，即使τ為0.1s，敵士兵達(dá)到18.08 s/100 m，就可不被擊中，而青年士兵一般可以達(dá)到這個(gè)速度。θ角為45°時(shí)，即使τ為0.08 s，只要敵士兵達(dá)到19.324 s/100 m，就可不被擊中。

1.3目標(biāo)斜向跑動(dòng)時(shí)τ對(duì)射擊的影響

圖4　目標(biāo)豎向跑動(dòng)時(shí)，機(jī)器人和目標(biāo)的俯視圖

限于篇幅，只列出θ為60°，β為10°和θ為60°，β為-10°的計(jì)算結(jié)果，如表3所示。

表3　目標(biāo)斜向跑動(dòng)時(shí)，延遲時(shí)間和臨界速度的關(guān)系

從表3可知，θ為60°，β為10°，τ為0.15s，敵士兵達(dá)到20.107s/100m，就可以不被擊中。θ為60°，β為-10°，τ為0.10s，敵士兵達(dá)到22.2s/100m，就可不被擊中，而青年士兵容易達(dá)到20s/100m的速度。

1.4結(jié)果分析

從上述計(jì)算結(jié)果可見，由于無(wú)人武器平臺(tái)的圖像傳輸延遲加上其他延遲，使延遲時(shí)間τ在0.10s(100ms)以上，用它射擊移動(dòng)目標(biāo)時(shí)，如果直接瞄準(zhǔn)目標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)較快地跑動(dòng)時(shí)，很難擊中目標(biāo)。由于彈著點(diǎn)有散布性[7,8]，有時(shí)可能有子彈擊中目標(biāo)，但擊中的概率不大。

2提高軍用機(jī)器人命中率的措施

由于無(wú)人武器平臺(tái)無(wú)法避免圖像傳輸延遲和其他延遲，對(duì)于快速跑動(dòng)的目標(biāo)，單發(fā)命中概率較低。

為了提高無(wú)人武器平臺(tái)的命中率，可以考慮在瞄準(zhǔn)時(shí)，加一個(gè)提前量，即瞄準(zhǔn)跑動(dòng)目標(biāo)前方的一點(diǎn)。這種方法也有一些困難：由于目標(biāo)有可能變速變方向跑動(dòng)，所以提前量不容易計(jì)算；觀察目標(biāo)的方向和速度需要一定的時(shí)間；增加了瞄準(zhǔn)的難度，因?yàn)槊闇?zhǔn)一個(gè)有形的目標(biāo)，比瞄準(zhǔn)一個(gè)想象中的一點(diǎn)容易得多。由于這些困難，加提前量的瞄準(zhǔn)方法雖然可以提高命中率，但不能確保命中。

在設(shè)計(jì)無(wú)人武器平臺(tái)時(shí)，可考慮如下措施：

1) 裝載的武器盡量選用機(jī)槍、沖鋒槍等自動(dòng)連發(fā)槍械，不采用不能連發(fā)的步槍或手槍；

2) 選配圖像處理設(shè)備時(shí)，選取圖像延遲時(shí)間較短的硬件和軟件；

3) 研制專用的提前量計(jì)算軟件。

3結(jié)論

戰(zhàn)斗人員在使用以槍械為武器的無(wú)人武器平臺(tái)時(shí)，通常在遠(yuǎn)處通過(guò)監(jiān)視屏瞄準(zhǔn)目標(biāo)。由于圖像傳輸造成100～300ms的延遲，監(jiān)視屏上的圖像是目標(biāo)100～300ms之前的圖像，子彈到達(dá)瞄準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，目標(biāo)已經(jīng)做了100～300ms時(shí)間的移動(dòng)。

本文計(jì)算了在平坦開闊地帶，對(duì)于不同的延遲時(shí)間τ，敵士兵能夠逃脫擊中的臨界跑動(dòng)速度。得出結(jié)論是：用無(wú)人武器平臺(tái)射擊快速跑動(dòng)的敵方士兵目標(biāo)時(shí)，如果采用在監(jiān)視屏上直接瞄準(zhǔn)目標(biāo)的方法，命中概率較低。

采用圖2所示的坐標(biāo)系；當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向和X軸平行時(shí)，即使有很好的圖像設(shè)備，τ為0.1s，只要快步走就可逃脫。當(dāng)目標(biāo)在Y軸上跑動(dòng)時(shí)，命中率與延遲時(shí)間無(wú)關(guān)。當(dāng)目標(biāo)沿著和Y軸平行方向跑動(dòng)，其位置角θ與X軸角度越接近90°，逃脫擊中的臨界速度越高。該角度為75°，τ大于0.2s時(shí)，目標(biāo)容易逃脫。該角度為60°，τ為0.1s時(shí)，目標(biāo)就有可能逃脫，τ為0.15s時(shí)，目標(biāo)很容易逃脫。該角度為45°，即使τ為0.1s，目標(biāo)也很容易逃脫。本文還用程序計(jì)算了目標(biāo)斜向跑動(dòng)時(shí)的逃脫擊中的臨界速度。

因此可以得出結(jié)論，以步槍、手槍為武器的無(wú)人武器平臺(tái)的實(shí)用價(jià)值不如以機(jī)槍、沖鋒槍為武器的無(wú)人武器平臺(tái)。

今后還將針對(duì)復(fù)雜地形條件下，敵方士兵變速變方向變姿勢(shì)的情況進(jìn)行研究。

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(責(zé)任編輯周江川)