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 機械工程學院，南京210094；2.軍械工程學院 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)在火藥燃氣、活動機件撞擊等沖擊載荷作用下的動態(tài)響應過程。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］。但由于當時實驗設備及實驗條件有限，通過平面鏡反射反映的特征點坐標受實驗環(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)學者圍繞該武器就如何提高射擊精度，改善人機工效等方面進行了大量的研究，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)

由于火藥燃氣與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記點，運用攝影部分和圖像處理部分識別和處理這些標志，以測得相應的數(shù)據(jù)。

攝影部分選用的美國IDT Y3－S2型和Phantom V641型2臺高速攝影機均采用先進的傳感器技術，分辨率高、曝光時間短，最大幀率可達140 000s－1，不僅有利于消除動態(tài)像移，獲得清晰的圖像，還具有適應性強的同步裝置，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位于下護蓋右側(cè)后端，與機匣連接處；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臺高速攝影機分別從右側(cè)和頂部2個方向讀取這些標記點的運動（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的橫坐標和縱坐標；X2，Y2分別表示右視圖中測點②的橫坐標和縱坐標。

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 高速攝影機的設定

該自動步槍射頻600min－1，3發(fā)點射自動機完成3次射擊循環(huán)大約需要0.3s，其中自動機復進到位對機匣撞擊時間最短（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)，采樣頻率應大于分析頻率的2倍，即攝影機的拍攝幀率必須達到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，綜合考慮攝影機放置距離、焦距、曝光時間等因素，設置右側(cè)的高速攝影機分辨率為1 280×800像素；設置上方的高速攝影機分辨率為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，設置右側(cè)的高速攝影機拍攝速度為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，設置上方高速攝影機的拍攝頻率為右側(cè)攝影機拍攝頻率的一半，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、扣扳機、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，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軟件進行視頻快速預覽，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入ProAnalyst軟件，首先設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)域以及跟蹤目標點進行自動跟蹤，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節(jié)進行多分辨率的時頻分析，在降噪領域得到了較大的應用［7－10］。小波降噪通常通過以下4個步驟實現(xiàn)［8］：

①對含噪信號進行預處理，便于后續(xù)處理；

②對含噪信號進行小波變換，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)設定閾值函數(shù)和閾值對信號進行去噪處理；

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)是小波降噪的關鍵所在，它直接影響到信號消噪的質(zhì)量。國內(nèi)外學者圍繞最優(yōu)閾值做了大量的研究工作，文獻［11］針對水下目標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表示自動機后坐到位撞擊緩沖器及槍托時對槍身的沖擊；e表示槍機向前推下一發(fā)槍彈時，槍機與槍彈碰撞對槍身向后較小的沖擊；f表示槍機推彈及槍機啟動斜面與機匣節(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表示自動機向前復進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)果的準確性及有效性，實驗對1名射手分別進行了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相對于槍托的水平坐標有一滯后量，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，具體標示見圖4，其中，槍膛合力的作用（b）、自動機后坐到位的撞擊（d）和自動機復進到位的撞擊（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)。為進一步分析槍膛合力、自動機后坐到位和復進到位撞擊對該步槍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到最大、自動機后坐到位和自動機復進到位時槍身角位移的變化情況。自動機后坐到位時，槍口角位移并未達到最大，如第1發(fā)射擊0.045s后坐到位時，槍口上仰0.65°；0.084s自動機向前復進到位時，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)射時自動機實際運動傳遞給人槍系統(tǒng)的激勵相關，其中槍膛合力的作用、自動機后坐到位的撞擊和自動機復進到位的撞擊對槍身的運動影響較大。

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