图像延迟对持枪机器人射击精度的影响

【装备理论与装备技术】

图像延迟对持枪机器人射击精度的影响

夏洪1, 张秀喜2

(1.东华理工大学 江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心，南昌330013；

2.中国人民解放军91241部队，广西 贵港537225)

摘要：持枪机器人是安装了枪械的无人武器平台。使用者在远处操纵射击，在监视屏上瞄准目标。由于图像传输需要时间，具有100～300 ms的延迟。为了研究使用持枪机器人过程中，延迟对于跑动目标命中率的影响，建立了在平坦开阔地带，目标(敌方士兵)不被击中的临界速度的计算式。并对于不同的延迟时间，计算了目标以不同方向跑动时，逃脱的临界速度。分析计算结果表明：安装了步枪或手枪的无人武器平台，若有150 ms以上的延迟，目标跑动方向和子弹轨迹有15°以上的夹角，只要目标不太慢，很容易逃脱。因此瞄准时需要加以修正。

关键词：无人武器平台；步枪或手枪；图像传输；延迟；射击精度

收稿日期：2014-09-08

基金项目：国家自然

作者简介：夏洪(1958—)，男，硕士，副教授，主要从事控制理论与控制工程、机器人工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.006

中图分类号：TJ203

文章编号：1006-0707(2015)01-0021-04

本文引用格式：夏洪, 张秀喜.图像延迟对持枪机器人射击精度的影响[J].四川兵工学报，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

当前一些国家为了减少战争中人员伤亡，大力发展可代替士兵的无人武器平台[1-3]。持枪机器人是安装了枪械的无人武器平台。其典型有美制SWORDS，英制SWARM无人武器平台等。图1是国外某型持枪机器人。它们通常在轮式或履带式无人车辆上安装机枪，步枪，手枪，冲锋枪等武器，操作者在几十米之外或更远的隐蔽之处依靠监视屏瞄准目标并操纵射击。无疑这种机器人可以大大减少战斗人员的危险性，然而其射击准确度将受到图像延迟的影响。本文将定量研究这种影响。这项研究有助于预测无人武器平台的效能，为制定发展规划提供参考，为设计制造提供依据。

1延迟时间τ对射击精度的影响

持枪机器人监视屏上的目标图像，需要经过摄像，编码，无线传输，解码等过程，这些过程都需要时间。不同的图像设备所需时间不同，一般的图像处理延时约300ms，质量很好的图像设备也要延时约70ms[4,5]。若加上机枪固有的延迟，例如机械结构延迟，子弹飞行时间，操作者的反应时间等，延时在100ms以上。也就是说，操作者在监视屏上看到的目标图像是100～300ms之前的图像。

本文将研究机枪机器人的延迟时间τ对于射击的影响，并提出适合机枪机器人的瞄准扫射方法。

图1　国外某型无人武器平台

考虑平坦开阔的无障碍物的战场。机枪的俯仰角为零，即枪管保持水平。对于这种情况只须研究俯视图。取坐标系如图2所示。

图2　持枪机器人和目标的俯视图

1.1目标横向跑动时τ对射击的影响

研究敌士兵横向跑动，即沿着与X轴平行方向跑动的情况。敌士兵侧面对着机枪。取目标宽度为白种人青年男性的平均胸厚Th，Th为0.22m[6]。

通过监视屏瞄准目标正中，从监视屏上看到的位置图像是τ时刻之前的目标位置。假设射击准确，即弹着点与瞄准点重合。子弹到达瞄准点时，耗时为τ。若敌士兵以速度Vx匀速跑动，则τ时间内移动距离为Lx=τVx。显然，如果Lx小于Th/2，则子弹击中目标，Lx大于Th/2不能击中。在此，不区分击毙和击伤。对于给定的τ，Vx大于临界值Cr1，则不能击中。经计算，τ和Cr1关系见表1。

瞄准目标身体上的前端点，则Lx小于Th时子弹击中目标。对于给定的τ，Vx大于临界值Cr2，则不能击中。经计算，τ和Cr2关系如表1所示。

表1　目标横向跑动时，延迟时间和临界速度的关系

1.2目标竖向跑动时τ对射击的影响

若敌士兵在Y轴上跑动，只要不让目标在τ时间内跑出射程，τ不影响射击精度。

现研究敌士兵沿着与Y轴平行方向与Y轴有一段距离跑动，离枪越来越近，速度为Vy，如图3所示。

图3　目标竖向跑动时，机器人和目标的俯视图

θ°取典型值45°，60°，75°， 计算出目标被击中的临界速度，见表2。0°<θ<90°，τ对射击精度有不同程度的影响。

表2　目标竖向跑动时，延迟时间和临界速度的关系

从表2可知，θ为75°，τ为0.15 s，敌士兵达到16.076 s/100 m，就可以不被击中。而有些青年士兵可以达到这个速度。通常，图像延迟加上其他延迟的τ为0.3 s，敌士兵达到32.151 s/100 m，就可不被击中，而青年士兵很容易达到这个速度。θ角为60°时，即使τ为0.1s，敌士兵达到18.08 s/100 m，就可不被击中，而青年士兵一般可以达到这个速度。θ角为45°时，即使τ为0.08 s，只要敌士兵达到19.324 s/100 m，就可不被击中。

1.3目标斜向跑动时τ对射击的影响

图4　目标竖向跑动时，机器人和目标的俯视图

限于篇幅，只列出θ为60°，β为10°和θ为60°，β为-10°的计算结果，如表3所示。

表3　目标斜向跑动时，延迟时间和临界速度的关系

从表3可知，θ为60°，β为10°，τ为0.15s，敌士兵达到20.107s/100m，就可以不被击中。θ为60°，β为-10°，τ为0.10s，敌士兵达到22.2s/100m，就可不被击中，而青年士兵容易达到20s/100m的速度。

1.4结果分析

从上述计算结果可见，由于无人武器平台的图像传输延迟加上其他延迟，使延迟时间τ在0.10s(100ms)以上，用它射击移动目标时，如果直接瞄准目标，当目标较快地跑动时，很难击中目标。由于弹着点有散布性[7,8]，有时可能有子弹击中目标，但击中的概率不大。

2提高军用机器人命中率的措施

由于无人武器平台无法避免图像传输延迟和其他延迟，对于快速跑动的目标，单发命中概率较低。

为了提高无人武器平台的命中率，可以考虑在瞄准时，加一个提前量，即瞄准跑动目标前方的一点。这种方法也有一些困难：由于目标有可能变速变方向跑动，所以提前量不容易计算；观察目标的方向和速度需要一定的时间；增加了瞄准的难度，因为瞄准一个有形的目标，比瞄准一个想象中的一点容易得多。由于这些困难，加提前量的瞄准方法虽然可以提高命中率，但不能确保命中。

在设计无人武器平台时，可考虑如下措施：

1) 装载的武器尽量选用机枪、冲锋枪等自动连发枪械，不采用不能连发的步枪或手枪；

2) 选配图像处理设备时，选取图像延迟时间较短的硬件和软件；

3) 研制专用的提前量计算软件。

3结论

战斗人员在使用以枪械为武器的无人武器平台时，通常在远处通过监视屏瞄准目标。由于图像传输造成100～300ms的延迟，监视屏上的图像是目标100～300ms之前的图像，子弹到达瞄准点时，目标已经做了100～300ms时间的移动。

本文计算了在平坦开阔地带，对于不同的延迟时间τ，敌士兵能够逃脱击中的临界跑动速度。得出结论是：用无人武器平台射击快速跑动的敌方士兵目标时，如果采用在监视屏上直接瞄准目标的方法，命中概率较低。

采用图2所示的坐标系；当目标运动方向和X轴平行时，即使有很好的图像设备，τ为0.1s，只要快步走就可逃脱。当目标在Y轴上跑动时，命中率与延迟时间无关。当目标沿着和Y轴平行方向跑动，其位置角θ与X轴角度越接近90°，逃脱击中的临界速度越高。该角度为75°，τ大于0.2s时，目标容易逃脱。该角度为60°，τ为0.1s时，目标就有可能逃脱，τ为0.15s时，目标很容易逃脱。该角度为45°，即使τ为0.1s，目标也很容易逃脱。本文还用程序计算了目标斜向跑动时的逃脱击中的临界速度。

因此可以得出结论，以步枪、手枪为武器的无人武器平台的实用价值不如以机枪、冲锋枪为武器的无人武器平台。

今后还将针对复杂地形条件下，敌方士兵变速变方向变姿势的情况进行研究。

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(责任编辑周江川)