基于光学特性的膛内弹丸运动姿态建模与仿真

发布时间：2020-04-24 10:32

【摘要】：当弹丸在膛内运动时,会因偏航、撞击、摩擦力以及自身填充条件等不可避免因素发生抖动,由于炮管的遮蔽性和测试环境的恶劣,给膛内弹丸运动姿态参数的实时监测带来了膛内视野狭窄和膛内弹丸匹配困难等问题。针对此问题,借鉴已有的视觉坐标测量法和激光干涉测量法,本课题设计了一种基于光学动态投影的膛内弹丸运动姿态的测试方法,该方法对于研究弹丸在膛内的运动规律具有十分重要的工程应用价值。在分析膛内弹丸运动姿态、激光束在漫反射板上的成像条件以及高速摄像机感光到漫反射板上成像光斑亮度的条件等理论基础上,建立了漫反射板上成像光斑的数学模型以及成像光斑在感光材料上相对应像素点的数学模型,进而仿真出弹丸在膛内运动时被高速摄像机拍摄的漫反射板上成像光斑运动轨迹图像。在仿真图像的处理过程中,采用加权平均法对图像进行灰度化处理,采用最大类间方差阈值分割法对图像进行二值化处理,采用Zhang快速并行细化算法对图像进行线细化处理,得到成像光斑质心运动轨迹图像。再由MATLAB平台中的find函数提取出成像光斑质心运动轨迹图像中目标特征点的质心坐标,并在膛内弹丸运动姿态仿真模型的基础上,得到膛内弹丸抖动姿态的信息。最后分别以正弦波形式、三角波形式以及指数波形式的运动来模拟弹丸在膛内的抖动运动,对仿真图像时添加的抖动姿态信息和从仿真图像中提取的相应参数进行比较,从而验证该仿真模型在理论上的正确性。仿真结果表明:仿真出了弹丸在膛内运动时被高速摄像机拍摄的漫反射板上成像光斑运动轨迹图像,通过分析处理仿真图像,可以得到弹丸在膛内运动的姿态信息,进而验证了基于光学动态投影的膛内弹丸运动姿态仿真模型在理论上的正确性。
【图文】：

在实际工程应用中，弹丸在膛内运动时，会因偏航、撞击、摩擦力以及自身填充条件等不可避免因素发生抖动进而偏离炮筒中心轴线，，由于膛内弹丸的特殊性（炮管的遮蔽和测试环境的恶劣），给膛内弹丸运动姿态参数的实时监测带来了膛内视野狭窄和膛内弹丸匹配困难的问题。针对此问题，借鉴已有的视觉坐标测量法和激光干涉测量法，本课题设计了一种基于光学动态投影的膛内弹丸运动姿态的测试方法，该测试方法是在弹头的正中间的部位上安装激光发生器，当弹丸在膛内运动时，激光束的成像变化就反应了弹丸在膛内运动的姿态信息，并在正前方放置的漫反射板上显示出来，然后用一侧的高速摄像机记录下该漫反射板上激光束的成像变化，接着利用计算机软件对采集到的时间序列图像进行各种运算，提取出图像中目标特征点的质心坐标，再根据摄像机的物像关系，获得漫反射板上成像光斑的位移向量，进而得到弹丸在膛内运动的姿态信息。基于光学动态投影的膛内弹丸运动姿态测试方法的原理图如图 2.1 所示。1L 是漫反射板到进膛口的距离，L 是航空炮筒的长度，d 是航空炮的口径， 是激光发生器偏离航空炮筒中心轴线的角弧度， 是高速摄像机偏离航空炮筒中心轴线的角弧度。

中北大学学位论文炮膛内结构的基本知识炮膛内结构决定了弹丸在膛内的运动规律，所以了解以及分析火炮膛内结重要。火炮身管的内膛称为炮膛，根据炮膛内表面是否有膛线，炮膛可以：线膛和滑膛，线膛在火炮中应用十分广泛，而滑膛可以看作是一种特殊般炮弹身管的膛内结构是由三部分构成：药室，坡膛和膛线，药室是用来弹药包的地方，火炮发射弹丸时，火药首先从这里燃烧，所以它的作用就射时火药燃烧的空间；坡膛是药室与线膛部之间的过渡段，也是弹丸的弹部位，因此，坡膛有时候又称为膛线的开始部位，它的主要作用是连接药同时在火炮发射前使弹丸定位，发射时使弹带由此切入膛线；膛线是在炮刻出一条螺旋线，该螺旋线与炮身轴线有一定倾斜角度，它的主要作用是动的同时出现旋转运动[29]。炮膛结构如图 2.2 所示。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ410;TP391.41

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本文编号：2638867