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?tīng)奚?、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(jī)?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(lái)，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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題,。

    針對(duì)以上問(wèn)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(cè)器代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵絲網(wǎng)對(duì)訓(xùn)練者的進(jìn)入,、離開(kāi),、沖刺以及完成過(guò)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(guò)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(wú)線通信連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，簡(jiǎn)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(cè)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(wèn)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(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)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(jiǎn)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(cè)器完成對(duì)基本戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作的限定,、完成情況監(jiān)測(cè),。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(cè)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(cè)器。其基本工作原理為：當(dāng)受訓(xùn)者觸碰到紅外線光探測(cè)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(wú)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(kāi),、沖刺以及過(guò)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(guò)的時(shí)間,，動(dòng)作要領(lǐng)是否規(guī)范,。檢測(cè)判斷準(zhǔn)確、及時(shí),、處理高效,，將人為因素對(duì)考核成績(jī)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(cè)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(cè)板,，用于檢測(cè)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(cè)板上,，由檢測(cè)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(cè)試人的進(jìn)入,、離開(kāi)以及訓(xùn)練過(guò)程中的違規(guī)信號(hào)進(jìn)行采集,，以判斷測(cè)試人員完成全部訓(xùn)練的時(shí)間及訓(xùn)練成績(jī)，并通過(guò)內(nèi)部通信傳送給顯示控制終端,，以檢測(cè)規(guī)則觸發(fā),。檢測(cè)模塊LDM主要由光電傳感及MCU檢測(cè)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(cè)開(kāi)始進(jìn)入和結(jié)束離開(kāi)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(cè)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(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)送給顯示控制終端。

    檢測(cè)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(cè)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(cè)流程可以分為開(kāi)機(jī)自檢、訓(xùn)練測(cè)試,、測(cè)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(wú)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(wú)線手持終端。無(wú)線手持終端采用一體化設(shè)計(jì),，包括5部分：鍵盤(pán),、顯示、內(nèi)部處理板,、無(wú)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(wú)線手持終端通過(guò)無(wú)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(cè)接口部分完成對(duì)各檢測(cè)模塊LDM1的詢問(wèn)發(fā)送,、接收信號(hào)處理。

    處理部分通過(guò)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(guò)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(cè)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(kù)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(jī)，并根據(jù)成績(jī)制定科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃,，組織進(jìn)行專(zhuān)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(guò)串口輸出測(cè)試訓(xùn)練人員的開(kāi)始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間,、完成總時(shí)長(zhǎng)以及完成過(guò)程中的犯規(guī)次數(shù),、判定結(jié)果，同時(shí)提供語(yǔ)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(zhǎng)久、安全系數(shù)高的鋰電池進(jìn)行供電,，通過(guò)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(guò)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(kāi)始與結(jié)束是由光電檢測(cè)器檢測(cè)到電信號(hào)變化以后通過(guò)無(wú)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(kāi)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(lái)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(wèn)題,。為了解決上述問(wèn)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(cè)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(wú)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(cè)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(guó)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）