《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
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
摘要: 單兵戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作是士兵在戰(zhàn)斗中的基本動(dòng)作。傳統(tǒng)的單兵戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作訓(xùn)練考核由人工實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)及動(dòng)作判定,存在主觀因素強(qiáng)、檢測準(zhǔn)確率低、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)效率低等問題,并且尚無有效的解決方法?;贔PGA/MCU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)采用多對(duì)主動(dòng)式對(duì)射紅外線光探測器,對(duì)訓(xùn)練考核過程中的違規(guī)觸碰信號(hào)進(jìn)行采集,并利用手持終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。后臺(tái)通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析給出指導(dǎo)性建議。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)練考核中存在的問題。
中圖分類號(hào): TM930.2
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.
A soldier tactical training and examination system based on embedded platform
Tian Xiaobo1,Zhang Chong1,Yang Chaobin2
1.Department of Information and Communication,Officers College of PAP,Chengdu 610213,China; 2.Sichuan Huazhan Communication Technologies,Chengdu 610044,China
Abstract: Soldier tactical training is the basic movement in combats. Traditional soldier tactical training and test is finished by artificial timing and judgment which has some problems, such as low detection accuracy, low data collection and storage efficiency. Meanwhile, there are no effective solutions for the problems. Based on FPGA/MCU platform, a kind of soldier tactical training and test system is designed and implemented. The system adopted a few pairs of active correlation infrared detector, for collecting touch signals and wireless data transmission utilizing hand-held terminal. The backstage provides guidance and suggestions by analyzing data. Test results proves that the system can solve problems in current soldier tactical trainings.
Key words : soldier tactics;infrared optical detection;wireless transmission;embedded system

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。

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    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。

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    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。

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    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。

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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。

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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。

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    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。

參考文獻(xiàn)

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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)

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