圖像延遲對持槍機器人射擊精度的影響

【裝備理論與裝備技術】

圖像延遲對持槍機器人射擊精度的影響

夏洪1, 張秀喜2

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

2.中國人民解放軍91241部隊，廣西 貴港537225)

摘要：持槍機器人是安裝了槍械的無人武器平臺。使用者在遠處操縱射擊，在監視屏上瞄準目標。由于圖像傳輸需要時間，具有100～300 ms的延遲。為了研究使用持槍機器人過程中，延遲對于跑動目標命中率的影響，建立了在平坦開闊地帶，目標(敵方士兵)不被擊中的臨界速度的計算式。并對于不同的延遲時間，計算了目標以不同方向跑動時，逃脫的臨界速度。分析計算結果表明：安裝了步槍或手槍的無人武器平臺，若有150 ms以上的延遲，目標跑動方向和子彈軌跡有15°以上的夾角，只要目標不太慢，很容易逃脫。因此瞄準時需要加以修正。

關鍵詞：無人武器平臺；步槍或手槍；圖像傳輸；延遲；射擊精度

收稿日期：2014-09-08

基金項目：國家自然

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

doi:10.11809/scbgxb2015.01.006

中圖分類號：TJ203

文章編號：1006-0707(2015)01-0021-04

本文引用格式：夏洪, 張秀喜.圖像延遲對持槍機器人射擊精度的影響[J].四川兵工學報，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

當前一些國家為了減少戰爭中人員傷亡，大力發展可代替士兵的無人武器平臺[1-3]。持槍機器人是安裝了槍械的無人武器平臺。其典型有美制SWORDS，英制SWARM無人武器平臺等。圖1是國外某型持槍機器人。它們通常在輪式或履帶式無人車輛上安裝機槍，步槍，手槍，沖鋒槍等武器，操作者在幾十米之外或更遠的隱蔽之處依靠監視屏瞄準目標并操縱射擊。無疑這種機器人可以大大減少戰斗人員的危險性，然而其射擊準確度將受到圖像延遲的影響。本文將定量研究這種影響。這項研究有助于預測無人武器平臺的效能，為制定發展規劃提供參考，為設計制造提供依據。

1延遲時間τ對射擊精度的影響

持槍機器人監視屏上的目標圖像，需要經過攝像，編碼，無線傳輸，解碼等過程，這些過程都需要時間。不同的圖像設備所需時間不同，一般的圖像處理延時約300ms，質量很好的圖像設備也要延時約70ms[4,5]。若加上機槍固有的延遲，例如機械結構延遲，子彈飛行時間，操作者的反應時間等，延時在100ms以上。也就是說，操作者在監視屏上看到的目標圖像是100～300ms之前的圖像。

本文將研究機槍機器人的延遲時間τ對于射擊的影響，并提出適合機槍機器人的瞄準掃射方法。

圖1　國外某型無人武器平臺

考慮平坦開闊的無障礙物的戰場。機槍的俯仰角為零，即槍管保持水平。對于這種情況只須研究俯視圖。取坐標系如圖2所示。

圖2　持槍機器人和目標的俯視圖

1.1目標橫向跑動時τ對射擊的影響

研究敵士兵橫向跑動，即沿著與X軸平行方向跑動的情況。敵士兵側面對著機槍。取目標寬度為白種人青年男性的平均胸厚Th，Th為0.22m[6]。

通過監視屏瞄準目標正中，從監視屏上看到的位置圖像是τ時刻之前的目標位置。假設射擊準確，即彈著點與瞄準點重合。子彈到達瞄準點時，耗時為τ。若敵士兵以速度Vx勻速跑動，則τ時間內移動距離為Lx=τVx。顯然，如果Lx小于Th/2，則子彈擊中目標，Lx大于Th/2不能擊中。在此，不區分擊斃和擊傷。對于給定的τ，Vx大于臨界值Cr1，則不能擊中。經計算，τ和Cr1關系見表1。

瞄準目標身體上的前端點，則Lx小于Th時子彈擊中目標。對于給定的τ，Vx大于臨界值Cr2，則不能擊中。經計算，τ和Cr2關系如表1所示。

表1　目標橫向跑動時，延遲時間和臨界速度的關系

1.2目標豎向跑動時τ對射擊的影響

若敵士兵在Y軸上跑動，只要不讓目標在τ時間內跑出射程，τ不影響射擊精度。

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

圖3　目標豎向跑動時，機器人和目標的俯視圖

θ°取典型值45°，60°，75°， 計算出目標被擊中的臨界速度，見表2。0°<θ<90°，τ對射擊精度有不同程度的影響。

表2　目標豎向跑動時，延遲時間和臨界速度的關系

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

1.3目標斜向跑動時τ對射擊的影響

圖4　目標豎向跑動時，機器人和目標的俯視圖

限于篇幅，只列出θ為60°，β為10°和θ為60°，β為-10°的計算結果，如表3所示。

表3　目標斜向跑動時，延遲時間和臨界速度的關系

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

1.4結果分析

從上述計算結果可見，由于無人武器平臺的圖像傳輸延遲加上其他延遲，使延遲時間τ在0.10s(100ms)以上，用它射擊移動目標時，如果直接瞄準目標，當目標較快地跑動時，很難擊中目標。由于彈著點有散布性[7,8]，有時可能有子彈擊中目標，但擊中的概率不大。

2提高軍用機器人命中率的措施

由于無人武器平臺無法避免圖像傳輸延遲和其他延遲，對于快速跑動的目標，單發命中概率較低。

為了提高無人武器平臺的命中率，可以考慮在瞄準時，加一個提前量，即瞄準跑動目標前方的一點。這種方法也有一些困難：由于目標有可能變速變方向跑動，所以提前量不容易計算；觀察目標的方向和速度需要一定的時間；增加了瞄準的難度，因為瞄準一個有形的目標，比瞄準一個想象中的一點容易得多。由于這些困難，加提前量的瞄準方法雖然可以提高命中率，但不能確保命中。

在設計無人武器平臺時，可考慮如下措施：

1) 裝載的武器盡量選用機槍、沖鋒槍等自動連發槍械，不采用不能連發的步槍或手槍；

2) 選配圖像處理設備時，選取圖像延遲時間較短的硬件和軟件；

3) 研制專用的提前量計算軟件。

3結論

戰斗人員在使用以槍械為武器的無人武器平臺時，通常在遠處通過監視屏瞄準目標。由于圖像傳輸造成100～300ms的延遲，監視屏上的圖像是目標100～300ms之前的圖像，子彈到達瞄準點時，目標已經做了100～300ms時間的移動。

本文計算了在平坦開闊地帶，對于不同的延遲時間τ，敵士兵能夠逃脫擊中的臨界跑動速度。得出結論是：用無人武器平臺射擊快速跑動的敵方士兵目標時，如果采用在監視屏上直接瞄準目標的方法，命中概率較低。

采用圖2所示的坐標系；當目標運動方向和X軸平行時，即使有很好的圖像設備，τ為0.1s，只要快步走就可逃脫。當目標在Y軸上跑動時，命中率與延遲時間無關。當目標沿著和Y軸平行方向跑動，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，目標容易逃脫。該角度為60°，τ為0.1s時，目標就有可能逃脫，τ為0.15s時，目標很容易逃脫。該角度為45°，即使τ為0.1s，目標也很容易逃脫。本文還用程序計算了目標斜向跑動時的逃脫擊中的臨界速度。

因此可以得出結論，以步槍、手槍為武器的無人武器平臺的實用價值不如以機槍、沖鋒槍為武器的無人武器平臺。

今后還將針對復雜地形條件下，敵方士兵變速變方向變姿勢的情況進行研究。

參考文獻：

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(責任編輯周江川)