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(guó)人民解放軍63856部隊(duì)，吉林 白城137001）

自動(dòng)步槍抵肩射擊的過(guò)程是由步槍和射手構(gòu)成的人槍系統(tǒng)在火藥燃?xì)?、活?dòng)機(jī)件撞擊等沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。清楚了解武器射擊時(shí)人槍系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，如槍械的水平后坐、水平側(cè)偏和垂直俯仰等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)于人槍系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立及人槍最佳動(dòng)力匹配的研究具有重要的意義。國(guó)內(nèi)南京理工大學(xué)李永新、包建東等人曾通過(guò)在射手上方放置一傾斜45°的平面鏡，運(yùn)用單臺(tái)高速攝影機(jī)在一個(gè)視角同時(shí)獲得56式7.62mm沖鋒槍射擊時(shí)槍械在水平和垂直2個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)［1－3］。但由于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)條件有限，通過(guò)平面鏡反射反映的特征點(diǎn)坐標(biāo)受實(shí)驗(yàn)環(huán)境因素影響較大。

某無(wú)托型自動(dòng)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(guó)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(duì)該武器射擊時(shí)人槍系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本研究以該無(wú)托型自動(dòng)步槍為研究對(duì)象，運(yùn)用2臺(tái)高速攝影機(jī)從右側(cè)和頂部2個(gè)視角同步測(cè)量的方法獲得該步槍連發(fā)射擊時(shí)人槍系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)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(gè)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量與數(shù)據(jù)處理方法。研究結(jié)果對(duì)于完善槍械的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高槍械的射擊精度具有重要的參考價(jià)值。

1 人槍動(dòng)態(tài)特性高速攝影測(cè)試系統(tǒng)

由于火藥燃?xì)馀c槍械運(yùn)動(dòng)件作用在槍身的載荷持續(xù)時(shí)間很短，均屬于ms級(jí)，具有沖擊載荷的特點(diǎn)，人、槍運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化十分劇烈。根據(jù)測(cè)量方法的不同，人槍運(yùn)動(dòng)的測(cè)量主要分為2種：一是采用慣性式傳感器實(shí)施接觸式測(cè)量，二是采用光電或攝影法實(shí)施非接觸測(cè)量［4］。其中，高速攝影作為非接觸測(cè)量的一種，不僅能跟蹤物體高速運(yùn)動(dòng)變化的過(guò)程，還能為高速動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)提供豐富的實(shí)驗(yàn)信息［5－6］。本研究所建立的人槍動(dòng)態(tài)特性高速攝影測(cè)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(guò)在人體及自動(dòng)步槍上的主要部位固定若干標(biāo)記點(diǎn)，運(yùn)用攝影部分和圖像處理部分識(shí)別和處理這些標(biāo)志，以測(cè)得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

攝影部分選用的美國(guó)IDT Y3－S2型和Phantom V641型2臺(tái)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(shí)間短，最大幀率可達(dá)140 000s－1，不僅有利于消除動(dòng)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(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)運(yùn)動(dòng)變化劇烈的特點(diǎn)，較好地觀測(cè)、記錄射擊時(shí)人槍系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；圖像處理部分選用軟件ProAnaly，該軟件是專為錄影中測(cè)量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)規(guī)律而設(shè)計(jì)的一個(gè)全向性自動(dòng)跟蹤和數(shù)據(jù)分析軟件，能自動(dòng)跟蹤及測(cè)量視頻中物體各項(xiàng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 人槍動(dòng)態(tài)特性高速攝影測(cè)試系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)方案與方法

人槍動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試對(duì)象是由射手和某無(wú)托型自動(dòng)步槍組成的人槍系統(tǒng)。射擊時(shí)，射手手持該自動(dòng)步槍抵右肩立姿射擊。

2.1 運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)的設(shè)置

射手射擊時(shí)，步槍在空間中的運(yùn)動(dòng)可分解為槍的后坐運(yùn)動(dòng)、槍的側(cè)偏運(yùn)動(dòng)和槍的俯仰運(yùn)動(dòng)，人槍系統(tǒng)相對(duì)于人體臀部有明顯的俯仰和水平扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。圍繞射擊時(shí)這些人槍運(yùn)動(dòng)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(dòng)步槍的結(jié)構(gòu)及立姿射擊時(shí)人槍運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在武器和射手身上設(shè)置6個(gè)運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)，如圖2所示。各特征點(diǎn)：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(diǎn)布置示意圖

用2臺(tái)高速攝影機(jī)分別從右側(cè)和頂部2個(gè)方向讀取這些標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)（位置變化）。由特征點(diǎn)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(yùn)動(dòng)情況，可分別作①、②測(cè)點(diǎn)，③、④測(cè)點(diǎn)及⑤、⑥測(cè)點(diǎn)間的連線，求出各直線的斜角。射擊過(guò)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(cè)點(diǎn)為例，確定槍身俯仰角變化的計(jì)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(diǎn)次序；X1，Y1分別表示右視圖中測(cè)點(diǎn)①的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)；X2，Y2分別表示右視圖中測(cè)點(diǎn)②的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。

由于射擊時(shí)人槍系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是既有轉(zhuǎn)動(dòng)、又有后坐平動(dòng)的多自由度空間運(yùn)動(dòng)，在對(duì)人槍運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)拍攝和解析過(guò)程中，中間處理環(huán)節(jié)較多，不可避免地會(huì)引入各種誤差來(lái)源。尤其是人體上的測(cè)點(diǎn)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(diǎn)的運(yùn)動(dòng)來(lái)確定人體的整體運(yùn)動(dòng)，只能對(duì)其加以估計(jì)。

2.2 高速攝影機(jī)的設(shè)定

該自動(dòng)步槍射頻600min－1，3發(fā)點(diǎn)射自動(dòng)機(jī)完成3次射擊循環(huán)大約需要0.3s，其中自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)到位對(duì)機(jī)匣撞擊時(shí)間最短（約1ms）。因此，以該時(shí)間為最小識(shí)別范圍，要想細(xì)致捕捉武器射擊時(shí)各特征時(shí)刻對(duì)槍口位置影響的動(dòng)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(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)的大小及人、槍運(yùn)動(dòng)的幅度，以能清晰捕捉到特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為目標(biāo)，綜合考慮攝影機(jī)放置距離、焦距、曝光時(shí)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(yàn)及射擊時(shí)步槍的實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)視頻數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)

為保證能拍攝到實(shí)驗(yàn)射手瞄準(zhǔn)、扣扳機(jī)、擊發(fā)、后坐等所需的全過(guò)程，采用相同的下降沿觸發(fā)信號(hào)同時(shí)觸發(fā)2臺(tái)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(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

3.1 實(shí)驗(yàn)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(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，最后選擇需要輸出的各特征點(diǎn)位移、速度的數(shù)據(jù)文件。

3.2 基于小波分析的實(shí)驗(yàn)信號(hào)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(guò)ProAnalyst軟件分析獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)含有較大的噪聲。在對(duì)這種非穩(wěn)態(tài)、信噪比低的含噪信號(hào)識(shí)別中，如何保留信號(hào)中的特征點(diǎn)就顯得尤為重要。

小波分析作為一種信號(hào)的時(shí)間頻率分析方法，能夠聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)進(jìn)行多分辨率的時(shí)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(guò)以下4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)［8］：

①對(duì)含噪信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，便于后續(xù)處理；

②對(duì)含噪信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理；

④小波逆變換重構(gòu)信號(hào)。

從以上4個(gè)步驟可以看出，如何選擇閾值和如何利用閾值來(lái)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(hào)消噪的質(zhì)量。國(guó)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(duì)水下目標(biāo)的信號(hào)信噪低且真實(shí)的信號(hào)被淹沒(méi)在噪聲之中的特點(diǎn)，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(shí)很好地保留信號(hào)的奇異性特征。針對(duì)人槍動(dòng)態(tài)特性高速攝影獲取數(shù)據(jù)噪聲大的特點(diǎn)，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(hào)，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(hào)細(xì)節(jié)小波系數(shù)，從而保持信號(hào)原有的局部特征點(diǎn)信息。

降噪處理時(shí)，首先根據(jù)該閾值函數(shù)獲取各個(gè)尺度上的最佳閾值函數(shù)，進(jìn)而利用Stein Unbiased Risk Estimate無(wú)偏估計(jì)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(guò)小波逆變換獲得去噪后的信號(hào)。圖3是運(yùn)用ProAnalyst軟件直接獲得的單發(fā)射擊時(shí)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(shí)能夠較好地保留人槍系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)的細(xì)節(jié)信息，圖中各特征點(diǎn)：a表示擊錘撞擊擊針時(shí)，對(duì)槍身向前較小的沖擊；b表示槍彈發(fā)火后，槍膛合力對(duì)槍身向后的沖擊；c表示拋殼時(shí)彈殼撞擊拋殼挺引起槍身前后速度的變化；d表示自動(dòng)機(jī)后坐到位撞擊緩沖器及槍托時(shí)對(duì)槍身的沖擊；e表示槍機(jī)向前推下一發(fā)槍彈時(shí)，槍機(jī)與槍彈碰撞對(duì)槍身向后較小的沖擊；f表示槍機(jī)推彈及槍機(jī)啟動(dòng)斜面與機(jī)匣節(jié)套啟動(dòng)斜面相接產(chǎn)生的碰撞對(duì)槍身前后運(yùn)動(dòng)的影響；g表示自動(dòng)機(jī)向前復(fù)進(jìn)到位時(shí)對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性及有效性，實(shí)驗(yàn)對(duì)1名射手分別進(jìn)行了20次3連發(fā)射擊高速攝影運(yùn)動(dòng)捕捉，測(cè)量結(jié)果表明，盡管人、槍運(yùn)動(dòng)的特征值大小略有散布，但人、槍運(yùn)動(dòng)軌跡的波形是相似的，射擊過(guò)程中槍支上跳、后坐的總趨勢(shì)是一致的。其中1組3發(fā)點(diǎn)射時(shí)各運(yùn)動(dòng)特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(guò)程。肩部的軟組織被壓實(shí)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(dòng)步槍實(shí)際射擊時(shí)的工作循環(huán)大約為90ms左右。在一個(gè)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(jiàn)圖4，其中，槍膛合力的作用（b）、自動(dòng)機(jī)后坐到位的撞擊（d）和自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)到位的撞擊（g）對(duì)槍身運(yùn)動(dòng)的影響較大。

由于消焰器固定在槍管前端，圖2中特征點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(duì)槍身后坐速度影響較大，但由于其作用時(shí)間非常短，其作用期間對(duì)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(dòng)機(jī)后坐到位和復(fù)進(jìn)到位撞擊對(duì)該步槍3發(fā)點(diǎn)射射擊精度的影響，根據(jù)弧度與角度的變化關(guān)系，計(jì)算各特征時(shí)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(gè)時(shí)刻分別表示每發(fā)槍彈射擊過(guò)程中槍膛合力達(dá)到最大、自動(dòng)機(jī)后坐到位和自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)到位時(shí)槍身角位移的變化情況。自動(dòng)機(jī)后坐到位時(shí)，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(shí)，槍口上仰0.65°；0.084s自動(dòng)機(jī)向前復(fù)進(jìn)到位時(shí)，槍口上仰為1.80°。這是由于步槍對(duì)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(shuō)明連發(fā)射擊時(shí)射手合理控制步槍對(duì)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(cè)量方法獲得了某無(wú)托型自動(dòng)步槍立姿連發(fā)射擊時(shí)的人槍系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)參數(shù)。

②實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，人槍系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與該自動(dòng)步槍發(fā)射時(shí)自動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)傳遞給人槍系統(tǒng)的激勵(lì)相關(guān)，其中槍膛合力的作用、自動(dòng)機(jī)后坐到位的撞擊和自動(dòng)機(jī)復(fù)進(jìn)到位的撞擊對(duì)槍身的運(yùn)動(dòng)影響較大。

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