《电子技术应用》
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一种基于嵌入式平台的单兵战术训练考核系统
2018年电子技术应用第12期
田晓波1,张 崇1,杨朝斌2
1.中国人民武装警察部队警官学院 信息通信系,四川 成都610213; 2.四川华展通信技术有限公司,四川 成都610044
摘要: 单兵战术动作是士兵在战斗中的基本动作。传统的单兵战术动作训练考核由人工实现计时及动作判定,存在主观因素强、检测准确率低、数据采集存储效率低等问题,并且尚无有效的解决方法。基于FPGA/MCU平台设计并实现了一种单兵战术训练考核系统,该系统采用多对主动式对射红外线光探测器,对训练考核过程中的违规触碰信号进行采集,并利用手持终端实现数据的无线传输。后台通过对数据进行分析给出指导性建议。测试表明,该系统可以较好地解决当前单兵战术训练考核中存在的问题。
中图分类号: TM930.2
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.181840
中文引用格式: 田晓波,张崇,杨朝斌. 一种基于嵌入式平台的单兵战术训练考核系统[J].电子技术应用,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

    单兵战术是士兵在战斗中的基本动作[1],单兵战术训练主要锤炼战士英勇顽强、不怕牺牲、克服疲劳和连续作战的意志品质,充分地利用地形地物,保存自己,消灭敌人,是战术训练的基础和核心,是构成部队战斗力的基本要素。单兵战术动作主要包括单兵战术基础动作、单兵战斗动作和40 m单兵战术等[2]。40 m单兵战术是单兵战术考核的最常用成绩评定形式,是融合智能、技能、体能为一体的综合体现,目的是检验士兵的技术、战术水平和体能[3]、技能状况,锻炼士兵灵活处置各种情况的能力,培养顽强的战斗作风,提高综合素质。

    近年来,围绕单兵战术训练的研究不断取得新的进展[4],然而,传统的单兵战术训练考核系统仍然采用人工方式进行计时与动作判定,因此,在计时方面存在不精确的问题,在动作判定方面存在标准不统一及误判概率大的问题。此外,训练数据采集是军事训练组织实施中的重要环节[5-6],由于单兵战术训练数据采用人工方式进行采集记录,因此其采集存储效率低下,错误概率较高,并且不利于后期对数据进行综合分析对比。传统单兵战术训练考核系统采用铁丝网模拟实战环境,以受训者是否触碰铁丝网作为判定依据,与实战环境存在较大差异。上述问题的存在严重影响了单兵战术训练效果,是亟待解决的关键问题。

    针对以上问题,本文基于嵌入式系统平台设计并实现了一种单兵战术训练考核系统。该系统利用多对主动式对射红外线光探测器代替传统铁丝网对训练者的进入、离开、冲刺以及完成过程中的违规触碰信号进行采集,以判断训练者通过全部掩体的时间,动作要领是否规范。该系统手持终端之间、手持终端与后台之间使用无线通信连接进行数据传输,简单方便,考核人员可以下载、上传数据,可以实现组网需要,为后台管理的建立、数据传输服务。测试表明,该系统可以较好地解决当前单兵战术训练考核系统中存在的问题。

1 系统总体技术方案

    从系统功能角度,该系统由以下7个基本单元构成:支撑结构、光电传感、信号连接、信号处理、信息传输、考核统计、操作显示。如图1所示。

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    其中,支撑结构单元通过设计专门的结构,完成训练条件的建立,光电设备的安装、相互间的连接,以及满足简单的装配、使用、维护。光电传感单元采用多对主动式对射红外线光探测器完成对基本战术动作的限定、完成情况监测。信号连接及处理单元基于MCU/FPGA平台完成各个信号的模块间连接及对信号进行放大、滤波、处理,提取信息及判断其特性。信息传输单元实现手持终端与最后冲刺模块之间的数据信息传输。考核统计单元对训练完成数据、违规数据、个人信息进行统计分析、报表,并提供输入操作、显示输出接口。操作显示单元用于输入、输出、显示数据。

1.1 系统总体框架

    该系统框架主要由低姿匍匐支架、侧身匍匐支架、支架检测单元、手持终端等部分构成。系统总体框架如图2所示。

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    低姿、侧身匍匐支架各由4个独立单元构成,每个单元含有3组主动式对射红外线光探测器。其基本工作原理为:当受训者触碰到红外线光探测器发出的红外线时,接收端即认定触网,并将数据传输至无线手持终端。相对于传统的铁丝网高、低匍匐支架,本文设计的低姿、侧身匍匐支架能够更加真实地模拟实战,并且对训练者的进入、离开、冲刺以及过程中的违规触碰信号进行采集,以判断训练者通过的时间,动作要领是否规范。检测判断准确、及时、处理高效,将人为因素对考核成绩的影响降至最低。

1.2 系统电路组成

    系统的电路部分由激光检测模块(Laser Detection Module,LDM)、手持显示控制终端两部分组成,工作原理如图3所示。

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    每个机械单元框架内部安装一个LDM检测板,用于检测训练考核时,是否超越规定高度,传感器连接于LDM检测板上,由检测板判断训练时是否违规。其主要功能是:采用主动式红外线传感器对测试人的进入、离开以及训练过程中的违规信号进行采集,以判断测试人员完成全部训练的时间及训练成绩,并通过内部通信传送给显示控制终端,以检测规则触发。检测模块LDM主要由光电传感及MCU检测单板构成。在出入口的高度架上安装红外感应传感器,用于检测开始进入和结束离开整个训练器械单元的时间。

    LDM使用RS232串口进行通信,8个LDM检测模块的数据最后汇总成两路RS232发送到匍匐前进部分的末端位置的STS1转发板上,其中LDM1_1/LDM1_2/LDM1_3/LDM1_4整合成为第一组数据,LDM1_6/LDM1_7/LDM1_8/LDM1_9组合成为第二组数据;STS1转发板将收到的数据通过无线数传模块发送给显示控制终端。

    检测电路板原理如图4所示。其中的关键处理由MCU完成,多个检测电路板电源并接,RS232 采用发-收-发接力方式完成最终一路输出。MCU选用STM32F4系列单片机STM32F427ZI,检测流程可以分为开机自检、训练测试、测试完成。其程序运行流程如图5所示。

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2 数据采集与传输

    根据实际应用需要,数据的上传下载应采用无线通信的方式。因此,本文设计了与系统配套使用的无线手持终端。无线手持终端采用一体化设计,包括5部分:键盘、显示、内部处理板、无线发射模块、结构接口,分别用于输入、输出、显示、控制、数据处理。无线手持终端通过无线与高低匍匐单元、冲刺部分通信,与考核统计平台相联。操作处理原理流程如下。

    检测接口部分完成对各检测模块LDM1的询问发送、接收信号处理。

    处理部分通过有线数据传输单元实现对系统内部各单元信息的获取,通过对获取信息进行初步的分析处理,利用传输单元对系统各单元进行协调控制,并将信息实时传输给控制终端。

    模块可随时中止或结束测试,全面接收CPU处理单元实时传输的数据,与数据库内的数据进行比对,对整个系统的运行情况进行实时监控,结合人工评定形成最终成绩,并根据成绩制定科学的训练计划,组织进行专项训练,节省训练时间,追求效率。

    传输部分主要发挥两个作用,一是将系统内部各单元间的信号相互传输,保障系统各单元中保存信息的一致性、调度的实时性和精确性。采用标准232接口芯片,通过串口输出测试训练人员的开始时间、结束时间、完成总时长以及完成过程中的犯规次数、判定结果,同时提供语音服务,发出提示声、报警声等。

    供电部分采用自放电率低、放电电压平稳、循环寿命长久、安全系数高的锂电池进行供电,通过DC接口进行充电,也可进行直充变压式供电。

    其工作流程如图6所示。

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3 数据分析

    为了验证所设计系统的可行性与准确性,对10组考核人员同时采用两种不同的考核方式进行了数据采集与分析对比。其中,第一种考核方式为传统的考官计时及犯规统计,第二种考核方式为单兵战术训练考核系统计时及犯规统计。表1及表2分别给出了两种考核方式时间及犯规次数对比。

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    通过观察表1及表2发现,总体上第二种考核方式计时比第一种计时时间略短,这是因为:第二种考核方式计时的开始与结束是由光电检测器检测到电信号变化以后通过无线模块发送信号至显示控制终端进行控制的,速度较快;而考官人为控制秒表开始与结束,按键是需要时间的。因此,采用所设计系统的计时准确性优于人工计时。

    从两种考核方式犯规行为统计来看,第二种考核方式判断犯规行为总体次数为78次,第一种考核方式判断犯规行为总体次数为58次,这是因为考官判断具有更多的主观意识,动作判定标准不统一,采用所设计的电子系统判断更加准确、客观。因此,采用所设计系统的犯规次数判断准确性优于人工方式。

4 结论

    传统单兵战术训练考核主要由人工计时及判定,存在计时不精确、标准不统一、数据采集分析效率低、错误率高等问题。为了解决上述问题,基于MCU/FPGA平台设计了一种单兵战术训练考核系统,该系统采用红外探测器进行计时及动作犯规的判定,大幅度提高了精确性。采用手持终端以无线传输的方式进行数据的采集传输,提高了数据汇总分析效率。测试数据进一步验证了所设计系统的准确性。

参考文献

[1] 李璋,刘鹤松.运用动作技能形成规律组织单兵战术基础动作教学的探索[J].高等教育研究学报,2009(2):34-35.

[2] 黄丽娜,彭本稳,汪灵,等.“小教员”在单兵战术基础动作教学中的作用[J].第一军医大学分校学报,2003(1):25-26.

[3] 闫子龙,王文胜,郑国威,等.力量操训练对单兵战术动作影响效果研究[J].北京体育大学学报,2010(1):143-144.

[4] 张波.模块化多功能武警单兵战术背心革新[J].警察技术,2005(5):52-54.

[5] 杨博然,张帅.军事训练数据采集探索[J].海军兵种学术,2011(5):15-17.

[6] 解新成,周锐.军事训练数据建设与运用问题研究[J].华北军事,2013(1):43-46.



作者信息:

田晓波1,张  崇1,杨朝斌2

(1.中国人民武装警察部队警官学院 信息通信系,四川 成都610213;

2.四川华展通信技术有限公司,四川 成都610044)