文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181840
中文引用格式: 田曉波,張崇,楊朝斌. 一種基于嵌入式平臺(tái)的單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(12):28-31,35.
英文引用格式: Tian Xiaobo,Zhang Chong,Yang Chaobin. A soldier tactical training and examination system based on embedded platform[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(12):28-31,35.
0 引言
單兵戰(zhàn)術(shù)是士兵在戰(zhàn)斗中的基本動(dòng)作[1],單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練主要錘煉戰(zhàn)士英勇頑強(qiáng)、不怕犧牲、克服疲勞和連續(xù)作戰(zhàn)的意志品質(zhì),充分地利用地形地物,保存自己,消滅敵人,是戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的基礎(chǔ)和核心,是構(gòu)成部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的基本要素。單兵戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作主要包括單兵戰(zhàn)術(shù)基礎(chǔ)動(dòng)作、單兵戰(zhàn)斗動(dòng)作和40 m單兵戰(zhàn)術(shù)等[2]。40 m單兵戰(zhàn)術(shù)是單兵戰(zhàn)術(shù)考核的最常用成績?cè)u(píng)定形式,是融合智能、技能、體能為一體的綜合體現(xiàn),目的是檢驗(yàn)士兵的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)水平和體能[3]、技能狀況,鍛煉士兵靈活處置各種情況的能力,培養(yǎng)頑強(qiáng)的戰(zhàn)斗作風(fēng),提高綜合素質(zhì)。
近年來,圍繞單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的研究不斷取得新的進(jìn)展[4],然而,傳統(tǒng)的單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng)仍然采用人工方式進(jìn)行計(jì)時(shí)與動(dòng)作判定,因此,在計(jì)時(shí)方面存在不精確的問題,在動(dòng)作判定方面存在標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一及誤判概率大的問題。此外,訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集是軍事訓(xùn)練組織實(shí)施中的重要環(huán)節(jié)[5-6],由于單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)采用人工方式進(jìn)行采集記錄,因此其采集存儲(chǔ)效率低下,錯(cuò)誤概率較高,并且不利于后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析對(duì)比。傳統(tǒng)單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng)采用鐵絲網(wǎng)模擬實(shí)戰(zhàn)環(huán)境,以受訓(xùn)者是否觸碰鐵絲網(wǎng)作為判定依據(jù),與實(shí)戰(zhàn)環(huán)境存在較大差異。上述問題的存在嚴(yán)重影響了單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練效果,是亟待解決的關(guān)鍵問題。
針對(duì)以上問題,本文基于嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多對(duì)主動(dòng)式對(duì)射紅外線光探測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵絲網(wǎng)對(duì)訓(xùn)練者的進(jìn)入、離開、沖刺以及完成過程中的違規(guī)觸碰信號(hào)進(jìn)行采集,以判斷訓(xùn)練者通過全部掩體的時(shí)間,動(dòng)作要領(lǐng)是否規(guī)范。該系統(tǒng)手持終端之間、手持終端與后臺(tái)之間使用無線通信連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,簡單方便,考核人員可以下載、上傳數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)需要,為后臺(tái)管理的建立、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。測試表明,該系統(tǒng)可以較好地解決當(dāng)前單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng)中存在的問題。
1 系統(tǒng)總體技術(shù)方案
從系統(tǒng)功能角度,該系統(tǒng)由以下7個(gè)基本單元構(gòu)成:支撐結(jié)構(gòu)、光電傳感、信號(hào)連接、信號(hào)處理、信息傳輸、考核統(tǒng)計(jì)、操作顯示。如圖1所示。
其中,支撐結(jié)構(gòu)單元通過設(shè)計(jì)專門的結(jié)構(gòu),完成訓(xùn)練條件的建立,光電設(shè)備的安裝、相互間的連接,以及滿足簡單的裝配、使用、維護(hù)。光電傳感單元采用多對(duì)主動(dòng)式對(duì)射紅外線光探測器完成對(duì)基本戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的限定、完成情況監(jiān)測。信號(hào)連接及處理單元基于MCU/FPGA平臺(tái)完成各個(gè)信號(hào)的模塊間連接及對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、處理,提取信息及判斷其特性。信息傳輸單元實(shí)現(xiàn)手持終端與最后沖刺模塊之間的數(shù)據(jù)信息傳輸??己私y(tǒng)計(jì)單元對(duì)訓(xùn)練完成數(shù)據(jù)、違規(guī)數(shù)據(jù)、個(gè)人信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表,并提供輸入操作、顯示輸出接口。操作顯示單元用于輸入、輸出、顯示數(shù)據(jù)。
1.1 系統(tǒng)總體框架
該系統(tǒng)框架主要由低姿匍匐支架、側(cè)身匍匐支架、支架檢測單元、手持終端等部分構(gòu)成。系統(tǒng)總體框架如圖2所示。
低姿、側(cè)身匍匐支架各由4個(gè)獨(dú)立單元構(gòu)成,每個(gè)單元含有3組主動(dòng)式對(duì)射紅外線光探測器。其基本工作原理為:當(dāng)受訓(xùn)者觸碰到紅外線光探測器發(fā)出的紅外線時(shí),接收端即認(rèn)定觸網(wǎng),并將數(shù)據(jù)傳輸至無線手持終端。相對(duì)于傳統(tǒng)的鐵絲網(wǎng)高、低匍匐支架,本文設(shè)計(jì)的低姿、側(cè)身匍匐支架能夠更加真實(shí)地模擬實(shí)戰(zhàn),并且對(duì)訓(xùn)練者的進(jìn)入、離開、沖刺以及過程中的違規(guī)觸碰信號(hào)進(jìn)行采集,以判斷訓(xùn)練者通過的時(shí)間,動(dòng)作要領(lǐng)是否規(guī)范。檢測判斷準(zhǔn)確、及時(shí)、處理高效,將人為因素對(duì)考核成績的影響降至最低。
1.2 系統(tǒng)電路組成
系統(tǒng)的電路部分由激光檢測模塊(Laser Detection Module,LDM)、手持顯示控制終端兩部分組成,工作原理如圖3所示。
每個(gè)機(jī)械單元框架內(nèi)部安裝一個(gè)LDM檢測板,用于檢測訓(xùn)練考核時(shí),是否超越規(guī)定高度,傳感器連接于LDM檢測板上,由檢測板判斷訓(xùn)練時(shí)是否違規(guī)。其主要功能是:采用主動(dòng)式紅外線傳感器對(duì)測試人的進(jìn)入、離開以及訓(xùn)練過程中的違規(guī)信號(hào)進(jìn)行采集,以判斷測試人員完成全部訓(xùn)練的時(shí)間及訓(xùn)練成績,并通過內(nèi)部通信傳送給顯示控制終端,以檢測規(guī)則觸發(fā)。檢測模塊LDM主要由光電傳感及MCU檢測單板構(gòu)成。在出入口的高度架上安裝紅外感應(yīng)傳感器,用于檢測開始進(jìn)入和結(jié)束離開整個(gè)訓(xùn)練器械單元的時(shí)間。
LDM使用RS232串口進(jìn)行通信,8個(gè)LDM檢測模塊的數(shù)據(jù)最后匯總成兩路RS232發(fā)送到匍匐前進(jìn)部分的末端位置的STS1轉(zhuǎn)發(fā)板上,其中LDM1_1/LDM1_2/LDM1_3/LDM1_4整合成為第一組數(shù)據(jù),LDM1_6/LDM1_7/LDM1_8/LDM1_9組合成為第二組數(shù)據(jù);STS1轉(zhuǎn)發(fā)板將收到的數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給顯示控制終端。
檢測電路板原理如圖4所示。其中的關(guān)鍵處理由MCU完成,多個(gè)檢測電路板電源并接,RS232 采用發(fā)-收-發(fā)接力方式完成最終一路輸出。MCU選用STM32F4系列單片機(jī)STM32F427ZI,檢測流程可以分為開機(jī)自檢、訓(xùn)練測試、測試完成。其程序運(yùn)行流程如圖5所示。
2 數(shù)據(jù)采集與傳輸
根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要,數(shù)據(jù)的上傳下載應(yīng)采用無線通信的方式。因此,本文設(shè)計(jì)了與系統(tǒng)配套使用的無線手持終端。無線手持終端采用一體化設(shè)計(jì),包括5部分:鍵盤、顯示、內(nèi)部處理板、無線發(fā)射模塊、結(jié)構(gòu)接口,分別用于輸入、輸出、顯示、控制、數(shù)據(jù)處理。無線手持終端通過無線與高低匍匐單元、沖刺部分通信,與考核統(tǒng)計(jì)平臺(tái)相聯(lián)。操作處理原理流程如下。
檢測接口部分完成對(duì)各檢測模塊LDM1的詢問發(fā)送、接收信號(hào)處理。
處理部分通過有線數(shù)據(jù)傳輸單元實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部各單元信息的獲取,通過對(duì)獲取信息進(jìn)行初步的分析處理,利用傳輸單元對(duì)系統(tǒng)各單元進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,并將信息實(shí)時(shí)傳輸給控制終端。
模塊可隨時(shí)中止或結(jié)束測試,全面接收CPU處理單元實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,結(jié)合人工評(píng)定形成最終成績,并根據(jù)成績制定科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃,組織進(jìn)行專項(xiàng)訓(xùn)練,節(jié)省訓(xùn)練時(shí)間,追求效率。
傳輸部分主要發(fā)揮兩個(gè)作用,一是將系統(tǒng)內(nèi)部各單元間的信號(hào)相互傳輸,保障系統(tǒng)各單元中保存信息的一致性、調(diào)度的實(shí)時(shí)性和精確性。采用標(biāo)準(zhǔn)232接口芯片,通過串口輸出測試訓(xùn)練人員的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間、完成總時(shí)長以及完成過程中的犯規(guī)次數(shù)、判定結(jié)果,同時(shí)提供語音服務(wù),發(fā)出提示聲、報(bào)警聲等。
供電部分采用自放電率低、放電電壓平穩(wěn)、循環(huán)壽命長久、安全系數(shù)高的鋰電池進(jìn)行供電,通過DC接口進(jìn)行充電,也可進(jìn)行直充變壓式供電。
其工作流程如圖6所示。
3 數(shù)據(jù)分析
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性與準(zhǔn)確性,對(duì)10組考核人員同時(shí)采用兩種不同的考核方式進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集與分析對(duì)比。其中,第一種考核方式為傳統(tǒng)的考官計(jì)時(shí)及犯規(guī)統(tǒng)計(jì),第二種考核方式為單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng)計(jì)時(shí)及犯規(guī)統(tǒng)計(jì)。表1及表2分別給出了兩種考核方式時(shí)間及犯規(guī)次數(shù)對(duì)比。
通過觀察表1及表2發(fā)現(xiàn),總體上第二種考核方式計(jì)時(shí)比第一種計(jì)時(shí)時(shí)間略短,這是因?yàn)椋旱诙N考核方式計(jì)時(shí)的開始與結(jié)束是由光電檢測器檢測到電信號(hào)變化以后通過無線模塊發(fā)送信號(hào)至顯示控制終端進(jìn)行控制的,速度較快;而考官人為控制秒表開始與結(jié)束,按鍵是需要時(shí)間的。因此,采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性優(yōu)于人工計(jì)時(shí)。
從兩種考核方式犯規(guī)行為統(tǒng)計(jì)來看,第二種考核方式判斷犯規(guī)行為總體次數(shù)為78次,第一種考核方式判斷犯規(guī)行為總體次數(shù)為58次,這是因?yàn)榭脊倥袛嗑哂懈嗟闹饔^意識(shí),動(dòng)作判定標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,采用所設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)判斷更加準(zhǔn)確、客觀。因此,采用所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的犯規(guī)次數(shù)判斷準(zhǔn)確性優(yōu)于人工方式。
4 結(jié)論
傳統(tǒng)單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核主要由人工計(jì)時(shí)及判定,存在計(jì)時(shí)不精確、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集分析效率低、錯(cuò)誤率高等問題。為了解決上述問題,基于MCU/FPGA平臺(tái)設(shè)計(jì)了一種單兵戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練考核系統(tǒng),該系統(tǒng)采用紅外探測器進(jìn)行計(jì)時(shí)及動(dòng)作犯規(guī)的判定,大幅度提高了精確性。采用手持終端以無線傳輸的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集傳輸,提高了數(shù)據(jù)匯總分析效率。測試數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。
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作者信息:
田曉波1,張 崇1,楊朝斌2
(1.中國人民武裝警察部隊(duì)警官學(xué)院 信息通信系,四川 成都610213;
2.四川華展通信技術(shù)有限公司,四川 成都610044)