0 引言

    單兵戰(zhàn)術(shù)是士兵在戰(zhàn)斗中的基本動作^[1]，單兵戰(zhàn)術(shù)訓練主要錘煉戰(zhàn)士英勇頑強、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)訓練的基礎和核心，是構(gòu)成部隊戰(zhàn)斗力的基本要素。單兵戰(zhàn)術(shù)動作主要包括單兵戰(zhàn)術(shù)基礎動作、單兵戰(zhàn)斗動作和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)考核的最常用成績評定形式，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)頑強的戰(zhàn)斗作風，提高綜合素質(zhì)。

    近年來，圍繞單兵戰(zhàn)術(shù)訓練的研究不斷取得新的進展^[4]，然而，傳統(tǒng)的單兵戰(zhàn)術(shù)訓練考核系統(tǒng)仍然采用人工方式進行計時與動作判定，因此，在計時方面存在不精確的問題，在動作判定方面存在標準不統(tǒng)一及誤判概率大的問題。此外，訓練數(shù)據(jù)采集是軍事訓練組織實施中的重要環(huán)節(jié)^[5-6]，由于單兵戰(zhàn)術(shù)訓練數(shù)據(jù)采用人工方式進行采集記錄，因此其采集存儲效率低下，錯誤概率較高，并且不利于后期對數(shù)據(jù)進行綜合分析對比。傳統(tǒng)單兵戰(zhàn)術(shù)訓練考核系統(tǒng)采用鐵絲網(wǎng)模擬實戰(zhàn)環(huán)境，以受訓者是否觸碰鐵絲網(wǎng)作為判定依據(jù)，與實戰(zhàn)環(huán)境存在較大差異。上述問題的存在嚴重影響了單兵戰(zhàn)術(shù)訓練效果，是亟待解決的關(guān)鍵問題。

    針對以上問題，本文基于嵌入式系統(tǒng)平臺設計并實現(xiàn)了一種單兵戰(zhàn)術(shù)訓練考核系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用多對主動式對射紅外線光探測器代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵絲網(wǎng)對訓練者的進入、離開、沖刺以及完成過程中的違規(guī)觸碰信號進行采集，以判斷訓練者通過全部掩體的時間，動作要領(lǐng)是否規(guī)范。該系統(tǒng)手持終端之間、手持終端與后臺之間使用無線通信連接進行數(shù)據(jù)傳輸，簡單方便，考核人員可以下載、上傳數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)組網(wǎng)需要，為后臺管理的建立、數(shù)據(jù)傳輸服務。測試表明，該系統(tǒng)可以較好地解決當前單兵戰(zhàn)術(shù)訓練考核系統(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個基本單元構(gòu)成：支撐結(jié)構(gòu)、光電傳感、信號連接、信號處理、信息傳輸、考核統(tǒng)計、操作顯示。如圖1所示。

    其中，支撐結(jié)構(gòu)單元通過設計專門的結(jié)構(gòu)，完成訓練條件的建立，光電設備的安裝、相互間的連接，以及滿足簡單的裝配、使用、維護。光電傳感單元采用多對主動式對射紅外線光探測器完成對基本戰(zhàn)術(shù)動作的限定、完成情況監(jiān)測。信號連接及處理單元基于MCU/FPGA平臺完成各個信號的模塊間連接及對信號進行放大、濾波、處理，提取信息及判斷其特性。信息傳輸單元實現(xiàn)手持終端與最后沖刺模塊之間的數(shù)據(jù)信息傳輸。考核統(tǒng)計單元對訓練完成數(shù)據(jù)、違規(guī)數(shù)據(jù)、個人信息進行統(tǒng)計分析、報表，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個獨立單元構(gòu)成，每個單元含有3組主動式對射紅外線光探測器。其基本工作原理為：當受訓者觸碰到紅外線光探測器發(fā)出的紅外線時，接收端即認定觸網(wǎng)，并將數(shù)據(jù)傳輸至無線手持終端。相對于傳統(tǒng)的鐵絲網(wǎng)高、低匍匐支架，本文設計的低姿、側(cè)身匍匐支架能夠更加真實地模擬實戰(zhàn)，并且對訓練者的進入、離開、沖刺以及過程中的違規(guī)觸碰信號進行采集，以判斷訓練者通過的時間，動作要領(lǐng)是否規(guī)范。檢測判斷準確、及時、處理高效，將人為因素對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。

    每個機械單元框架內(nèi)部安裝一個LDM檢測板，用于檢測訓練考核時，是否超越規(guī)定高度，傳感器連接于LDM檢測板上，由檢測板判斷訓練時是否違規(guī)。其主要功能是：采用主動式紅外線傳感器對測試人的進入、離開以及訓練過程中的違規(guī)信號進行采集，以判斷測試人員完成全部訓練的時間及訓練成績，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傳感器，用于檢測開始進入和結(jié)束離開整個訓練器械單元的時間。

    LDM使用RS232串口進行通信，8個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STM32F427ZI，檢測流程可以分為開機自檢、訓練測試、測試完成。其程序運行流程如圖5所示。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

    根據(jù)實際應用需要，數(shù)據(jù)的上傳下載應采用無線通信的方式。因此，本文設計了與系統(tǒng)配套使用的無線手持終端。無線手持終端采用一體化設計，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)計平臺相聯(lián)。操作處理原理流程如下。

    檢測接口部分完成對各檢測模塊LDM1的詢問發(fā)送、接收信號處理。

    處理部分通過有線數(shù)據(jù)傳輸單元實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)部各單元信息的獲取，通過對獲取信息進行初步的分析處理，利用傳輸單元對系統(tǒng)各單元進行協(xié)調(diào)控制，并將信息實時傳輸給控制終端。

    模塊可隨時中止或結(jié)束測試，全面接收CPU處理單元實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行比對，對整個系統(tǒng)的運行情況進行實時監(jiān)控，結(jié)合人工評定形成最終成績，并根據(jù)成績制定科學的訓練計劃，組織進行專項訓練，節(jié)省訓練時間，追求效率。

    傳輸部分主要發(fā)揮兩個作用，一是將系統(tǒng)內(nèi)部各單元間的信號相互傳輸，保障系統(tǒng)各單元中保存信息的一致性、調(diào)度的實時性和精確性。采用標準232接口芯片，通過串口輸出測試訓練人員的開始時間、結(jié)束時間、完成總時長以及完成過程中的犯規(guī)次數(shù)、判定結(jié)果，同時提供語音服務，發(fā)出提示聲、報警聲等。

    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)高的鋰電池進行供電，通過DC接口進行充電，也可進行直充變壓式供電。

    其工作流程如圖6所示。

3 數(shù)據(jù)分析

    為了驗證所設計系統(tǒng)的可行性與準確性，對10組考核人員同時采用兩種不同的考核方式進行了數(shù)據(jù)采集與分析對比。其中，第一種考核方式為傳統(tǒng)的考官計時及犯規(guī)統(tǒng)計，第二種考核方式為單兵戰(zhàn)術(shù)訓練考核系統(tǒng)計時及犯規(guī)統(tǒng)計。表1及表2分別給出了兩種考核方式時間及犯規(guī)次數(shù)對比。

    通過觀察表1及表2發(fā)現(xiàn)，總體上第二種考核方式計時比第一種計時時間略短，這是因為：第二種考核方式計時的開始與結(jié)束是由光電檢測器檢測到電信號變化以后通過無線模塊發(fā)送信號至顯示控制終端進行控制的，速度較快；而考官人為控制秒表開始與結(jié)束，按鍵是需要時間的。因此，采用所設計系統(tǒng)的計時準確性優(yōu)于人工計時。

    從兩種考核方式犯規(guī)行為統(tǒng)計來看，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，這是因為考官判斷具有更多的主觀意識，動作判定標準不統(tǒng)一，采用所設計的電子系統(tǒng)判斷更加準確、客觀。因此，采用所設計系統(tǒng)的犯規(guī)次數(shù)判斷準確性優(yōu)于人工方式。

4 結(jié)論

    傳統(tǒng)單兵戰(zhàn)術(shù)訓練考核主要由人工計時及判定，存在計時不精確、標準不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)采集分析效率低、錯誤率高等問題。為了解決上述問題，基于MCU/FPGA平臺設計了一種單兵戰(zhàn)術(shù)訓練考核系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用紅外探測器進行計時及動作犯規(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)進一步驗證了所設計系統(tǒng)的準確性。

參考文獻

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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警官學院 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）