Weryfikacja uszkodzeń bojowych kołowych transporterów opancerzonych

Transkrypt

1 Bi u l e t y n WAT Vo l. LXII, Nr 3, 2013 Weryfikacja uszkodzeń bojowych kołowych transporterów opancerzonych Jerzy Walentynowicz, Mirosław Karczewski, Krzysztof Koliński Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu, Warszawa, ul. gen. S. Kaliskiego 2, jwalentynowicz@wat.edu.pl Streszczenie. W opracowaniu przedstawiono metodykę analizy uszkodzeń nadwozi i podwozi kołowych transporterów opancerzonych za pomocą skanera 3D umożliwiającego trójwymiarową analizę obiektów przestrzennych. Zaprezentowano zasadę działania urządzenia oraz jego możliwości badawcze. Przeanalizowano możliwości metody na przykładzie uszkodzeń pojazdów. Oceniono dokładność pomiarów uszkodzeń transporterów przed naprawą i po niej. Słowa kluczowe: transportery opancerzone, skanowanie 3D, uszkodzenia pojazdów 1. Wstęp Zbadanie specyficznych uszkodzeń pojazdów podczas akcji bojowych w ramach misji bojowych umożliwia sprawdzenie poprawności przyjętych założeń do projektowania pojazdów, zweryfikowanie metod napraw pojazdów, a także określenie metod zwiększenia odporności pojazdów na oddziaływania współczesnych zagrożeń. Pojazdy wykorzystywane w obecnych misjach wojskowych są narażone głównie na działanie broni małokalibrowej (na ogół do 14,5 mm), pocisków z granatników i przeciwpancernych pocisków kierowanych, a także na działanie min dennych, burtowych i innych improwizowanych ładunków wybuchowych. Szczególnie miny i improwizowane ładunki wybuchowe są groźne w konfliktach asymetrycznych, ponieważ są rozmieszczane często w nocy, w miejscach gdzie najtrudniej je można wykryć, a ich odpalenie może nastąpić zdalnie w momencie

2 112 J. Walentynowicz, M. Karczewski, K. Koliński przejazdu pojazdów. Powstałe uszkodzenia to przede wszystkim przebicia pancerza i wewnętrzne uszkodzenia pojazdu, a także różnego rodzaju trwałe odkształcenia jego struktury i wyposażenia. Są to na ogół uszkodzenia niepowtarzalne, będące skutkiem nieznanego z góry rodzaju zastosowanego ładunku, jego masy i położenia względem pojazdu. Dlatego rozpoznanie podatności pojazdu na różnego rodzaju uszkodzenia, a następnie opracowanie technologii napraw pojazdów oraz propozycji jego zmian konstrukcyjnych wymaga opracowania odpowiedniej metodyki i urządzeń pomiarowych pozwalających na uzyskanie odpowiednio dokładnego obrazu uszkodzonego pojazdu oraz uszkodzeń spowodowanych uderzeniami pocisków i fal ciśnienia będących wynikiem wybuchu. Wymaga to przetworzenia wymiarów i kształtów obiektów rzeczywistych na trójwymiarowy obraz przestrzenny. Takie możliwości mają urządzenia do przestrzennego skanowania obiektów i analizy ich kształtów w trójwymiarowej przestrzeni. Wykorzystując trójwymiarowy obraz cyfrowy, można prowadzić dalsze analizy wymiarowe i symulacyjne. Jednym z obszarów zastosowania takich przestrzennych modeli jest analiza wypadków, uszkodzeń i awarii, których skutki mogą być przedstawione w postaci obrazu trójwymiarowego zamiast płaskich zdjęć bądź niejednoznacznych opisów Celem prezentowanej pracy było przedstawienie możliwości i efektów zastosowania metody skanowania przestrzennego do analizy uszkodzeń zespołów pojazdów na przykładzie odkształceń kadłuba kołowego transportera opancerzonego oraz przebicia płyt pancernych spowodowanych bezpośrednim uderzeniem pocisków. 2. Właściwości metody trójwymiarowego skanowania Istnieje kilka systemów bezdotykowego skanowania trójwymiarowego obiektów. Do badań wykorzystywano system skanowania ATOS firmy GOM mbh. Jest on szeroko stosowany do cyfryzacji obiektów głównie w przemyśle samochodowym, w inżynierii odwrotnej, w zastosowaniach analizy i kontroli jakości (kontrola pierwszej sztuki, montażu, produkcji i optymalizacji narzędzi, monitorowania produkcji, kontroli dostaw itd.). Jest stosowany także do celów archiwizacji oraz wizualizacji dzieł sztuki, a także innych obiektów technicznych. Podstawowe zalety tej dość nowej technologii to: skanowanie i wizualizacja całego przedmiotu w przestrzeni oraz możliwość jego porównania z danymi CAD lub obrazami ze skanowania innych przedmiotów, szybki proces pomiarowy, wysoka rozdzielczość i dokładność pomiaru. Współrzędne punktów na mierzonej powierzchni są wyznaczane na zasadzie triangulacji. Projektor rzutuje na badany obiekt szereg prążków, których obraz na nierównej powierzchni obiektu ulega zniekształceniu odpowiednio do kształtu tej

3 Weryfikacja uszkodzeń bojowych kołowych transporterów opancerzonych 113 powierzchni (rys. 1a). Większą dokładność skanowania można uzyskać, stosując dwie kamery zamocowane na wspólnej belce stanowiącej podstawę trójkąta. Umożliwiają one ponadto znalezienie punktów na powierzchniach niewidocznych przez jedną kamerę, znajdujących się w zagłębieniach (rys. 1b). Punkt na płaszczyźnie jest wierzchołkiem trójkąta (rzutowany z projektora), a kamery obserwacyjne mierzą kąty, pod jakimi widać dany punkt (rys. 1b). Z zależności geometrycznych można wyznaczyć współrzędne punktu x, y, z. Wynikiem takiego postępowania jest chmura do 4 milionów punktów dla każdego pojedynczego pomiaru wykonywanego w czasie 1 sekundy. Obrazy powierzchni są przedstawiane w odcieniach szarości, co pozwala na odtworzenie głębi obrazu. Rys. 1. Zasada skanowania trójwymiarowego: a) zasady triangulacji w skanowaniu trójwymiarowym; b) skanowanie za pomocą dwóch kamer Dokładność, z jaką skaner pozwala mierzyć zmiany kształtu powierzchni, wynosi 0,001 mm. Pomiary powierzchni z taką dokładnością są niemożliwe za pomocą dotychczas stosowanych punktowych metod pomiarowych. Kształty wyprodukowanych

4 114 J. Walentynowicz, M. Karczewski, K. Koliński urządzeń lub części były mierzone za pomocą tzw. punktów bazowych w ściśle określonych miejscach. Dokładność skanowania zależy od wymiarów przestrzeni, która jest skanowana. Im mniejsza jest przestrzeń skanowania, tym większa jest dokładność obrazu. Możliwe są następujące trójwymiarowe przestrzenie pomiarowe: z belką pomiarową od największego pola mm do mm, pole typu SO o wymiarach od do mm. Odpowiednio do pola skanowania dobiera się ramię, na którym umieszczona jest każda z kamer (rys. 2a). Ponadto podczas pomiarów użytkownik może pozycjonować głowicę na statywie przed przedmiotem mierzonym bez konieczności stosowania dodatkowych urządzeń zmieniających położenie przedmiotu. Skanowanie rozpoczyna się rozmieszczeniem znaczników w postaci małych białych krążków (punktów) na skanowanej powierzchni lub powierzchniach przyległych, do których trwale przymocowany jest skanowany przedmiot (rys. 2b). Znaczniki te służą jako punkty referencyjne, umożliwiające łączenie obrazów uzyskanych podczas wielokrotnego skanowania obiektu pod różnymi kątami lub łączenie obrazów podczas częściowego skanowania obiektów wielowymiarowych (powierzchni i brył), których skanowanie wymaga łączenia wielu obrazów. Znaczniki są naklejane w losowo wybieranych punktach. Rys. 2. Skaner optyczny: a) głowica skanera z projektorem i dwoma kamerami; b) zespoły skrzyni biegów przygotowane do skanowania z naklejonymi punktami referencyjnymi (białe krążki) Podczas skanowania dużych powierzchni lub brył za pomocą specjalnego aparatu fotograficznego, wchodzącego w skład urządzenia Tritop, sporządzane są zdjęcia bryły przygotowanej do skanowania z dużą liczbą punktów referencyjnych. W centrum rysunku 3a widoczne są punkty referencyjne, a na zewnątrz znajdują się

5 Weryfikacja uszkodzeń bojowych kołowych transporterów opancerzonych 115 miejsca przestrzennego położenia aparatu fotograficznego, za pomocą którego wykonywano zdjęcia punktów referencyjnych. Tworzą one szkielet rozpięty na skanowanej powierzchni, która będzie wypełniana skanowanymi powierzchniami łączonymi w dużą bryłę skanowanego obiektu na podstawie rozpoznawanych punktów referencyjnych. Rys. 3. Etapy skanowania transportera: a) obraz znaczników rozmieszczonych na powierzchni transportera i pozycji aparatu wokół transportera; b) widok kadłuba po skanowaniu z punktami referencyjnymi Ze względu na ograniczone pole pojedynczej powierzchni widzianej przez kamery ( mm) podczas skanowania transportera opancerzonego konieczne jest wielokrotne skanowanie kolejnych fragmentów powierzchni za pomocą przesuwanej kamery, a także skanowanie pod różnymi kątami, umożliwiające likwidację obszarów niewidocznych dla kamer na skutek dużych odkształceń powierzchni. Efektem tego skanowania jest obraz powierzchni transportera. Efektem wielokrotnego skanowania powierzchni dużej bryły jest szereg obrazów, które są następnie łączone ze sobą. Skanowanie powierzchni połączone z przesuwaniem kamer i skanowaniem bryły pod różnymi kątami umożliwia likwidację obszarów pustych, które mogą być niewidoczne na skutek dużych odkształceń powierzchni (są one widoczne na zdjęciach jako puste, przezroczyste obszary). Wynikiem skanowania jest szereg chmur punktów jedna chmura dla każdego obrazu, które są przetransformowane do siatki wieloboków dającej się edytować. Odbywa się to poprzez poligonizację, czyli przetwarzanie niezachodzących na siebie trójkątów na siatkę. W zależności od zakrzywienia powierzchni przedmiotu siatka ma różną gęstość (rys. 4). Ten raster poligonizacji jest dopasowywany do siebie i ponownie obliczony z najwyższą rozdzielczością punktów. Obszary zachodzące na siebie są usuwane, a następnie zszywana jest siatka wieloboków. Tak obrobiona chmura punktów zostaje przekształcona w siatkę trójkątów, która następnie może być importowana do programów MES-owskich. Porównując obrazy skanowanych obiektów z innymi obrazami wzorcowymi lub porównując te obrazy z danymi w postaci modeli CAD, kolorowa mapa odchyłek przedstawia poglądowo odchyłki tak dużej liczby punktów pomiarowych (np. rys. 7).

6 116 J. Walentynowicz, M. Karczewski, K. Koliński Rys. 4. Rodzaje gęstości siatki po poligonizacji: a) siatka gęsta; b) siatka rzadka 3. Skanowanie uszkodzonych pojazdów Uszkodzenia bojowe pojazdów są mechaniczne, spowodowane przez pociski kinetyczne, fale powstające po wybuchach min i ładunków improwizowanych, a także wypalenia pancerzy po wybuchach pocisków kumulacyjnych. Efektem uderzeń pocisków kinetycznych są otwory w pancerzach, których dokładne skanowanie wymaga odpowiednio małego pola pomiarowego (rys. 5). Wykonanie pomiarów z dwóch stron takiego pancerza przy uwzględnieniu dodatkowych zewnętrznych punktów referencyjnych umożliwia uzyskanie obrazu kształtu przestrzennego przestrzeliny, a podczas dalszej obróbki takiego obiektu możliwe jest dokładne obliczenie wymiarów przestrzeliny wraz z ukształtowaniem brzegów otworu i wymiarów odkształceń materiału spowodowanych przebiciem pancerza przez pocisk. W przypadku powierzchni odbijających światło konieczne jest ich pokrycie warstwą Rys. 5. Skanowanie przestrzelin: próbka na obrotowym talerzu z naniesionymi punktami referencyjnymi; b) obraz przestrzeliny; c) przekrój przestrzeliny z wymiarami

7 Weryfikacja uszkodzeń bojowych kołowych transporterów opancerzonych 117 sproszkowanej kredy za pomocą aerografu, co zabezpiecza obraz bryły przed zniekształceniem na skutek odbicia światła. Skanowanie dużych powierzchni pozwala na odtworzenie pełnej zewnętrznej bryły pojazdu. W przypadku odpowiedniego rozmieszczenia znaczników wewnątrz pojazdu i skanowaniu wewnętrznych powierzchni możliwe jest określenie takich wielkości jak grubość blach, z jakich wykonano pojazd. Grubość tych blach może być także wprowadzona do programu. Odkształcenie powierzchni blach, spowodowane działaniem fal ciśnienia lub uderzeniami pocisków, może być oceniane poprzez przyjęcie płaskości pojedynczej płyty i obliczenia odchyleń między zeskanowanym obiektem i przyłożoną do niego płaszczyzną (rys. 6a). Na rysunku tym widoczne jest wgniecenie skośnej płyty dennej do środka pojazdu. Niewidoczne są jednak odkształcenia płyt bocznych. Możliwe jest także porównanie odchyłek całej zeskanowanej powierzchni pojazdu z modelem CAD pojazdu lub obrazem zeskanowanej powierzchni innego transportera przyjętego jako transporter wzorcowy. Może to być także uśredniony model ze skanowania kilku transporterów nowych. Rys. 6. Wyniki skanowania kadłubów transporterów: a) odchylenia kształtu powierzchni względem płaszczyzny; b) różnice kształtów między kadłubem pojazdu uszkodzonego i kadłubem produkcyjnym Przykładem zniszczenia bardziej złożonej konstrukcji może być uszkodzenie przedniego łącznika zespolonego zawieszenia transportera (rys. 7a). Jakkolwiek płaszczyzna górna wspornika z lewej strony nie uległa zasadniczemu odkształceniu, to widoczne są duże odkształcenia z lewej strony łącznika, a także odkształcenia dolnej powierzchni łącznika z prawej strony. Po naprawie łącznika jego wymiary nie odbiegają od wymiarów łącznika nowego (rys. 7b). Zespół ten po uzupełnieniu może być zamontowany w pojeździe.

8 118 J. Walentynowicz, M. Karczewski, K. Koliński Rys. 7. Widok przedniego łącznika zespolonego: a) uszkodzonego; b) naprawionego 4. Wnioski 1. Przedstawione wyniki badań świadczą o pełnej przydatności skanowania 3D do analizy odkształceń i wyznaczania ich wymiarów wielu obiektów o bardzo skomplikowanych kształtach i dowolnych wymiarach (od bardzo małych do dużych), których analiza za pomocą metod stykowych byłaby bardzo trudna oraz niedokładna. 2. Metoda umożliwia porównanie wartości nominalnych i rzeczywistych między pomiarem i danymi numerycznymi, takimi jak model CAD, chmury punktów lub dane STL. 3. Za pomocą prezentowanej metody może być realizowana kontrola jakości, np. podczas pomiarów odkształceń, błędów wykonawczych, weryfikacji dokładności wzajemnego dopasowania elementów poprzez wirtualny montaż w oprogramowaniu, a także zmiany kształtu powierzchni spowodowane uszkodzeniami. Mogą być także sprawdzane zespoły pojazdów po naprawach. Praca finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt rozwojowy. Literatura [1] ATOS Professional V7, Instrukcja obsługi systemu ATOS, GOM mbh, [2] TRITOP v6.2, Instrukcja obsługi systemu TRITOP, GOM mbh,

9 Weryfikacja uszkodzeń bojowych kołowych transporterów opancerzonych 119 J. WALENTYNOWICZ, M. KARCZEWSKI, K. KOLIŃSKI Battle damage verification of military vehicle Abstract. This paper presents methodology for battle damage verifications of hulls and chassis of military vehicles by using 3D scanning system, which enable us three-dimensional analysis of spatial objects. The operation principles and research capabilities of the system were presented. It was analyzed what are the possibilities of the method by measuring real battle damages. The accuracy of measurements was rated both before and after repair. Keywords: armored vehicles, 3D scanning, vehicles damages

10