СТРЕЛКОВЫЙ ТРЕНАЖЁР
SHOOTING SIMULATOR

Изобретение относится к области учебно-тренировочных средств и может быть использовано при создании тренажеров для обучения и тренировок в стрельбе.
Одним из важных факторов применения тренажеров является способность формирования обратной связи между стрелком и прицельным приспособления оружия. При визуализации движения расчетной точки попадания по полю прицеливания мишени появляется возможность объективного контроля мышечной моторики рук стрелка тренером непосредственно в процессе тренировки или стрелком после тренировки.
Техническая задача изобретения - обеспечения обратной связи в системе: «стрелок-оружие-мишень», для выработки рефлексов у стрелка на основе визуализации процесса прицеливания без применения многократной калибровки и юстировки оборудования в случае изменения: местоположения огневого рубежа, освещения, самого стрелка.
Уровень техники
US 2003082502 А1, 01.05.2003, F41G 3/26, известна система стрелкового тренажера с подключенным к нему электронно-оптическим устройством, включающая в себя цифровую мишень для корректировки выстрелов по ней, компьютер с дисплеем, устройство для захвата цифрового изображения, в виде цифровой камеры или записывающую видеокамеру, используемую вместе с оптической трубой для наблюдения за мишенями, приспособленную для захвата цифрового изображения на мишени.
RU 2130576 С1, 20.05.1999, F41G 1/32, известно прицельное устройство, включающее материальный носитель информации о прицельном знаке (носитель), например диафрагму, сетку или светящийся объект и элемент формирования изображения прицельного знака в пространстве объектов прицеливания (элемент формирования), например окуляр. При этом элемент формирования дает несколлимированный пучок от центрального фрагмента носителя, по изображению которого осуществляется прицеливание по неподвижной цели на пристрелочной дистанции (центрального фрагмента), при этом выходная апертура прицельного устройства разбита на две зоны: рабочую и предварительного наведения.
Из патента RU 2310150 С1, 10.11.2007, F41G 3/26, известен стрелковый тренажер, содержащий оружие со спусковым механизмом, видеокамеру, закрепленную на оружии и связанную с видеовходом вычислителя, устройство отображения результатов стрельбы и мишенное поле с мишенями. Оружие со спусковым механизмом является боевым, тренажер снабжен звуковыми колонками, а оружие - двумя микровыключателями, первый из которых жестко закреплен на его рукоятке под спусковым крючком, а второй - на рукоятке под курком с возможностью замыкания электрической цепи (при взводе курка оба микровыключателя соединены последовательно и подключены к входу вычислителя), устройство отображения результатов и звуковые колонки подключены к выходу вычислителя, при этом видеокамера закреплена под стволом посредством кронштейна, мишенное поле установлено на расстоянии, заданном при выполнении реальных стрельб, мишени выполнены бумажными, а тренажер дополнительно снабжен тисками для закрепления оружия в режиме пристрелки.
Из патента на полезную модель RU 54422 U1, 27.06.2006, F41G 3/26, известен стрелковый тренажер, содержащий, по крайней мере, одно оружие со стволом, затвором и ударно-спусковым механизмом, снабженное трапецеидальной пластиной, кронштейном с трапецеидальным пазом, микровыключателем, пластинчатой пружиной, механически взаимодействующей с нижней стороной движущегося в момент выстрела затвора. В кронштейне жестко закреплена беспроводная минивидеокамера с источником питания, а пластинчатая пружина зафиксирована одним концом на поверхности кронштейна, и соединена другим концом с микровыключателем, при этом стрелковый тренажер содержит также приемник, работающий на одних частотах с видеокамерами единиц оружия в УКВ-диапазоне, выполненный с возможностью его подключения к информационному порту компьютера.
Известен стрелковый тренажер Кудрякова, содержащий источник излучения, выполненный в виде секторной мишени, установленный на стрелковом оружии, оптико-электронный приемник излучения, связанный с усилителем и схемой обработки сигнала. Мишень выполнена четырехсекторной с Х-образным расположением секторов и промодулированным излучением каждого из ее секторов, что позволяет из общего сигнала на выходе приемника излучения выделить сигналы, соответствующие секторам мишени. Оптико-электронный приемник состоит из собирающей линзы, в главном фокусе которого расположена диафрагма с калиброванным отверстием, и фотоэлемента (фотоприемника). Амплитуды выделенных сигналов прямо пропорциональны проекции площади соответствующего сектора мишени на фотоэлемент фотоприемника. Смещение оптической оси фотоприемника от центра мишени вызывает перераспределение амплитудных значений, что позволяет определить величину этого смещения, т.е. координаты точки наведения. Недостатком данного устройства является трудность обеспечения равномерной освещенности секторов мишени из-за неоднородности излучения в разных направлениях, особенно в случае больших габаритов мишени, и из-за неоднородности просвечиваемого материала мишени, а также относительно небольшие размеры мишени, ограниченные углом поля зрения оптико-электронного приемника.
Ближайшим аналогом является стрелковый тренажер с оптико-электронным регистрирующим устройством KZ24127 А4, 15.06.2011, кл. F41J 1/18, состоящий из имитаторов оружия, управляющего программно-технического комплекса, проекционного экрана, видеопроекторов, акустической системы, высокоскоростной видеокамеры, радиосистемы обмена данных, при этом в имитаторы оружия встроены датчики контроля параметров, влияющие на правильность выполнения упражнений, лазеры для формирования точки прицеливания и пневмосистемы, при этом пневмосистема встроена в имитатор, а в управляющий программно-технический комплекс входит программное обеспечение, реализующее моделирование и визуализацию мишенной обстановки с применением трехмерной графики.
К недостаткам указанного аналога можно отнести отсутствие реальной мишени, имитации работы подвижных частей механизмов оружия, отдачи и увода ствола при производстве выстрела, так как имеющийся в аналоге имитатор выхлопа (отдачи) струи газового выброса не обеспечивает реалистичное обучение навыкам действий с оружием, например, правильность удержания оружия, не касаясь подвижных частей механизмов оружия, "передергивания" затворной рамы для досылания патрона в патронник при осечке и первоначального заряжания оружия.
Общим недостатком приведенных технических решений является необходимость оборудования специальных тренинговых площадок дорогими мультимедийными аппаратными средствами, либо макетами, имитирующими полевые условия или городскую архитектуру, а также необходимость использования средств видеонаблюдения, количество которых увеличивается с увеличением числа наблюдаемых объектов - мишеней. Это усложняет тренажер и значительно увеличивает время его развертывания, что приводит к использованию тренажера только в условиях стационарной площадки.
Также к недостаткам указанных решений следует отнести недостаточную эффективность тренировочного процесса из-за отсутствия информации о процессе прицеливания в виде непрерывной траектории перемещения точки прицеливания относительно мишени, и необходимость юстировки прицельного устройства и видеокамеры при смене позиции на огневом рубеже.
Цель изобретения заключается в устранении недостатков известных устройств путем создания стрелкового тренажера на базе серийного выпускаемого огнестрельного и пневматического оружия, серийно выпускаемых мишеней, серийно выпускаемых видеокамер, размещаемых на оружии и подключенных к вычислителю, обеспечивающему высокую точность определения координат точки прицеливания, отображение виртуальной мишени на мониторе, факта поражения мишени, а также формирование траектории перемещения точки прицеливания вплоть до момента срабатывания датчика выстрела, и автоматизацию процесса обучения и оценку действий обучаемого.
Сущность изобретения заключается в том, что стрелковый тренажер состоит из оружия 1, мишени 2 и компьютера/вычислителя 3 (см. Фигуры 1-4). Оружие снабжено затвором 10, спусковым механизмом 11, датчиком выстрела 12, цифровой видеокамерой 4, прицельным приспособлением 15. Оружие может являться огнестрельным, пневматическим, метательным или эмулируемым. Компьютер 3 выполняет программу обработки информации и управляет состоянием мишени 2. Мишень имеет зону прицеливания 8 и зону поражения 9, устройство отображения результата выстрела и точечные излучатели 7 вокруг зоны прицеливания.
Указанные цели достигаются за счет создания оптико-механической системы, позволяющей за счет расположения на мишени 2 вокруг зоны прицеливания 8 точечных реперных излучателей 7 невидимого глазу излучения в количестве от четырех штук и более, создающих узлы виртуальной координатной сетки, которая позволяет определить расположение центров зоны поражения 9, даже в случае расположения стрелка под непрямым углом к плоскости мишени 2.
Цифровая видеокамера 4 (далее - видеокамера), расположенная на оружии 1 с оптической осью 6 расположенной соосно линии прицеливания 5 прицельного устройства оружия 15 (оси могут не совпадать до десятков градусов), принимает излучение реперных излучателей 7, выделяет это излучение за счет встроенного оптического фильтра и передает эту информацию компьютеру 3.
Компьютер 3, получив информацию о взаимном расположении реперных излучателей 7 в зоне прицеливания 8 мишени 2, строит координатную сетку, на основании которой вычисляет точку прицеливания относительно координат ближайшей зоны поражения 9 (на мишени 2 может быть несколько зон поражения).
Для работы стрелкового тренажера требуется однократная калибровка оптико-механическая системы, которая для конкретной мишени задает вычислителю виртуальную координатную сетку - расположение всех центров реперных излучателей и расположение всех зон поражения (центры и радиусы) - см. Фиг. 3.
После калибровки требуется пристрелка, в процессе которой определяется смещение реальной точки прицеливания относительно центра изображения с видеокамеры. Пристрелка должна выполняться аналогично процессу пристрелки стандартного устройства прицеливания конкретного оружия.
Диапазоны электромагнитного излучения точечных излучателей выбраны таким образом, чтобы не создавать оптических помех глазу стрелка, что достигается выбором диапазона излучения точечными реперными излучателями более длинноволнового или более коротковолнового излучения, чем видимый человеком свет. На видеокамере применяется соответствующий инфракрасный или ультрафиолетовый фильтр, позволяющий избавиться от паразитной засветки от других источников излучения. Яркость свечения точечных излучателей и чувствительность видеокамеры должны быть такими, чтобы на изображении видеокамеры каждый излучатель порождал яркое пятно избыточной засветки - «пересвет». Это позволяет надежно отличать световое пятно излучателя от шумов видеокамеры.
На видеокамере рекомендуется использовать объектив с фиксированным фокусным расстоянием. Глубина фокуса объектива подбирается исходя из угловых размеров мишени - угол обзора объектива должен быть в два-три раза шире углового размера мишени. Это позволяет видеть все источники точечного излучения при наведении оружия на любой край мишени (в любую из зон прицеливания мишени). Использование дорогостоящего объектива с переменным фокусным расстоянием не требуется, поскольку не требуется наведение на резкость. При потере резкости изображение точечных источников излучения размывается таким же образом, как от избыточной засветки (от «пересвета»). Использование объектива с фиксированным фокусным расстоянием позволяет не только существенно удешевить тренажер, но и отказаться от многократных калибровок, например, при смене позиции стрелка. Однократной калибровки достаточно для стабильной работы тренажера с разными стрелками, на разных позициях, в разное время.
В процессе работы компьютер 3 выделяет на изображении с видеокамеры световые пятна, полученные от реперных излучателей мишени 7, и вычисляет их центры. Далее компьютер 3 подбирает такое положение виртуальной камеры относительно мишени, при котором эти центры максимально точно совпадут с откалиброванной ранее виртуальной координатной сеткой излучателей (см. Фиг. 3). Далее с учетом смещения реальной точки прицеливания относительно центра изображения с видеокамеры, запомненной компьютером в процессе пристрелки оружия, определяется проекция точки прицеливания на плоскость мишени, и вычисляются координаты точки прицеливания на мишени.
Для надежного вычисления положения камеры относительно мишени достаточно четырех источников освещения, не лежащих на одной прямой. При увеличении количества излучателей точность определения координат точки прицеливания возрастает.
Отклонение оси прицеливания от перпендикуляра к плоскости мишени или наклон оружия в любых разумных пределах (до 30 градусов) не мешает алгоритму точно определять положение виртуальной камеры относительно мишени. При отклонении более 30 градусов тренировки теряют смысл, поскольку в этом случае точка попадания начинает сильно отклоняться от точки прицеливания практически для любого стрелкового оружия.
Отклонение оптической оси видеокамеры от оптической оси прицельного приспособления оружия на небольшой угол (до десяти градусов) приводит к незначительному смещению центра видеокамеры от точки прицеливания. Это смещение корректируется в процессе пристрелки. Отклонение на больший угол может привести к расхождению вычисляемой точки прицеливания и реальной точки прицеливания на величину, сравнимую с размерами точки поражения (диаметр пули). Соответственно, в процессе пристрелки алгоритм определяет превышение пределов допустимого смещения точки прицеливания и выдает предупреждение о необходимости корректировки положения камеры на оружии.
При определении центров световых пятен достаточно, чтобы световые пятна соседних излучателей не пересекались друг с другом. Это дает очень большой запас по «пересвету» и по изменению расчетного расстояния от стрелка до мишени (до двух раз ближе или дальше от мишени).
Экспериментальным путем была определено минимальное разрешение матрицы видеокамеры (640 на 480 пикселей) и минимальное число точечных реперных излучателей на мишени (16), позволяющей стрелковому тренажеру функционировать с точностью, достаточной для проведения тренировки по биатлону. Использование матрицы с большим разрешением и/или повышение числа реперных излучателей позволяет повысить точность определения координат точки прицеливания.
По координатам откалиброванной точки прицеливания на изображении компьютер 3 вычисляет координаты точки прицеливания 16 на мишени 2 и выдает эти координаты для визуализации траектории прицеливания 17 в каждом кадре. См. Фиг. 5.
Датчик выстрела 12 может быть реализован в двух вариантах: а) как снабженный микровыключателем имитатор спускового механизма, б) как микрофон, расположенный у ствола ружья. Во втором случае, программа анализирует громкость сигнала с микрофона и принимает решение о выстреле при превышении порогового уровня громкости. По сигналу с датчика выстрела компьютер 3 принимает решение о поражении мишени 2 исходя из траектории движения точки прицеливания 16 на мишени 2 за последние несколько кадров (при необходимости, с учетом откалиброванного упреждения и баллистического хода оружия), и в случае поражения мишени 2 выдает сигнал управления по радиоканалу, посредством блока связи мишени, для работы устройства отображения результата выстрела мишени 2, имеющей свой источник питания. Устройство отображения результата выстрела сигнализирует звуком, светом или цветом о факте поражения мишени стрелком, например, закрывает зону прицеливания 8.
Для наработки «мышечной памяти» у стрелка, тренажер может быть укомплектован импульсным имитатором выстрела, с возможностью регулирования энергии отдачи, звука выстрела, отклонения ствола от точки прицеливания при выстреле. Для этого, в качестве импульсного имитатора может выступить акустический или механический источник энергии, например - пружинный или пневмо-отбрасыватель.
Таким образом, технический результат реализации изобретения позволяет:
• сократить время и финансовые расходы на обучение стрельбе,
• упростить процесс развертывания и калибровки тренажера,
• повысить точность определения координат точки попадания в мишень,
• видеть траекторию точки прицеливания относительно центра зоны поражения, что в свою очередь позволяет качественно улучшить процесс обучения, своевременно указывая обучаемому на допущенные им ошибки, см. Фиг. 6,
• автоматизировать процесс обучения и оценку действий обучаемого.
Стрелковый тренажер может работать с любым типом огнестрельного, пневматического, метательного оружия, способного нести на себе видеокамеру и имеющего прицельный механизм.