郭　英，王俊峰，袁　義，張　金

(1.裝甲兵工程學(xué)院， 北京　100072； 2.北京石景山八大處甲1號(hào)105信箱,北京　100144)

非侵入式輕武器射擊訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭英1，王俊峰2，袁義1，張金1

(1.裝甲兵工程學(xué)院， 北京100072； 2.北京石景山八大處甲1號(hào)105信箱,北京100144)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)輕武器射擊訓(xùn)練系統(tǒng)需要對(duì)現(xiàn)役槍支、靶標(biāo)等進(jìn)行改造或替換，改變了原始訓(xùn)練條件,對(duì)射手成績(jī)穩(wěn)定性造成較大影響的問題,設(shè)計(jì)了一種非侵入式輕武器射擊訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用松耦合、非侵入的思想，構(gòu)建了利用現(xiàn)役槍支和靶標(biāo)進(jìn)行模擬和實(shí)彈射擊訓(xùn)練的訓(xùn)練系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)射手據(jù)槍、瞄準(zhǔn)、擊發(fā)等行為的識(shí)別和著靶位置檢測(cè)，為輕武器射擊訓(xùn)練提供了新的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：非侵入；輕武器；射擊訓(xùn)練；槍載傳感器；激光幕靶

針對(duì)當(dāng)前輕武器射擊輔助訓(xùn)練系統(tǒng)或器材，存在非侵入設(shè)計(jì)差、需要對(duì)現(xiàn)有槍支結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，通用性不好、難以擴(kuò)展功能來適應(yīng)裝備更新?lián)Q代，效費(fèi)比不高、準(zhǔn)備工作量大且需要消耗昂貴的專用靶標(biāo)等問題，提出設(shè)計(jì)研發(fā)一種與槍支、靶標(biāo)松耦合，對(duì)射手射擊習(xí)慣影響小的非侵入式輕武器射擊訓(xùn)練系統(tǒng)，把模擬輔助訓(xùn)練與實(shí)彈射擊訓(xùn)練有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)輕武器射擊訓(xùn)練從據(jù)槍、瞄準(zhǔn)、擊發(fā)等各基礎(chǔ)科目到實(shí)彈射擊訓(xùn)練的無(wú)間隙、漸進(jìn)式演進(jìn)[1-2]。

本文所研究的非侵入式輕武器射擊訓(xùn)練系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))，基于輕量無(wú)線槍載傳感器、高速視頻處理和靶紙圖像識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)射手行為和著靶信息的非侵入提取，為記錄、分析和判斷訓(xùn)練效果提供了技術(shù)支撐。

1系統(tǒng)組成及主要功能

系統(tǒng)包含管理終端、訓(xùn)導(dǎo)終端、槍載數(shù)據(jù)傳感器和智能靶標(biāo)4個(gè)要素，結(jié)合應(yīng)用軟件支撐，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練組織管理、模擬射擊訓(xùn)練評(píng)估、實(shí)彈射擊報(bào)靶考核3種功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2核心部件設(shè)計(jì)

槍載傳感器和智能靶標(biāo)是系統(tǒng)的核心部件，支持實(shí)現(xiàn)射擊行為識(shí)別功能。

2.1　槍載傳感器

槍載數(shù)據(jù)傳感器包含激光發(fā)射控制、振動(dòng)采集、射擊行為檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸4個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)武器和射手的松耦合、非侵入。傳感器采用輕量化設(shè)計(jì)，質(zhì)量小于80g，把對(duì)槍支質(zhì)量和重心的影響降到了最低；自帶電源，所有控制交互和輸出數(shù)據(jù)采用無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)，解決了外接電纜對(duì)射手造成的影響，射手可以帶槍進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作；裝卸方便，不需對(duì)武器進(jìn)行改動(dòng)，通過系列夾具可以適配于各類輕武器。槍載數(shù)據(jù)傳感器外形如圖2所示。

圖2　槍載傳感器外形

槍載數(shù)據(jù)傳感器內(nèi)置識(shí)別模塊，利用射擊行為學(xué)智能識(shí)別擊發(fā)動(dòng)作，并將識(shí)別結(jié)果通過無(wú)線方式發(fā)送到訓(xùn)導(dǎo)終端。射手持槍瞄準(zhǔn)或擊發(fā)訓(xùn)練過程中，加掛在射手所持槍支上的槍載數(shù)據(jù)傳感器會(huì)通過激光在遠(yuǎn)處的智能靶標(biāo)上模擬出該槍支當(dāng)前的瞄準(zhǔn)點(diǎn)/彈著點(diǎn)，智能靶標(biāo)上的采集識(shí)別裝置通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析瞄準(zhǔn)點(diǎn)或彈著點(diǎn)位置并上傳給訓(xùn)導(dǎo)終端，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)靶功能和瞄準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集分析展現(xiàn)功能，總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

激光發(fā)射控制模塊接收平臺(tái)下發(fā)的控制指令，控制激光發(fā)射器的打開和關(guān)閉。振動(dòng)采集模塊用于采集槍支振動(dòng)數(shù)據(jù)，以DSP芯片為核心，通過高速接口與專用模塊通信，實(shí)時(shí)采集振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)，然后用設(shè)置模型匹配和閥值判斷當(dāng)前行為是否滿足預(yù)設(shè)條件；若滿足，則進(jìn)行下一步操作——即射擊行為操作識(shí)別；若不滿足，則仍循環(huán)的執(zhí)行先前的數(shù)據(jù)采集操作。射擊行為檢測(cè)模塊循環(huán)偵聽來自DSP下發(fā)的開始識(shí)別信號(hào)，若接收到開始識(shí)別的信號(hào)，則開始保存接收信號(hào)前與接收信號(hào)后一定時(shí)間的加速度傳感器數(shù)據(jù)，采集完成后，利用預(yù)設(shè)的識(shí)別模型，判斷當(dāng)前的行為是否為擊發(fā)行為，是則向DSP返回肯定的結(jié)果，不是則返回否定結(jié)果。DSP采集的振動(dòng)數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)果與射擊行為識(shí)別接口結(jié)果綜合判斷該次行為是否為擊發(fā)，是則按照設(shè)計(jì)好的協(xié)議報(bào)文傳輸當(dāng)前為擊發(fā)狀態(tài)的結(jié)果，否則不上報(bào)結(jié)果，繼續(xù)等待識(shí)別擊發(fā)狀態(tài)。

圖3　槍載數(shù)據(jù)傳感器總體設(shè)計(jì)框圖

2.2　智能模擬靶標(biāo)

智能模擬靶標(biāo)由靶框、靶紙、電源、采集識(shí)別裝置等部分組成，可智能采集、分析槍支的瞄準(zhǔn)點(diǎn)位置及靶環(huán)數(shù)，并通過無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到訓(xùn)導(dǎo)終端。智能模擬靶標(biāo)外形如圖4所示。

圖4　智能模擬靶標(biāo)外形

智能模擬靶標(biāo)采用了圖像識(shí)別算法前置的設(shè)計(jì)思路，靶標(biāo)僅需要將圖像分析后的結(jié)果即激光點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)回傳到訓(xùn)導(dǎo)終端，大大降低了數(shù)據(jù)通信量，在緩解網(wǎng)絡(luò)壓力的同時(shí)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性和時(shí)效性。圖像采集模塊基于嵌入式系統(tǒng)的高清攝像機(jī)，實(shí)時(shí)快速地獲取各種現(xiàn)役的靶紙圖像，靶紙識(shí)別模塊完成數(shù)字圖像處理，識(shí)別靶紙的輪廓和靶紙的中心。攝像頭采集的圖像，首先要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，并轉(zhuǎn)化為灰度圖，然后進(jìn)行濾波去噪，去除圖像的噪聲點(diǎn)，預(yù)處理完成后用合適的邊緣檢測(cè)算法得到靶紙的輪廓，最后使用霍夫圓檢測(cè)的方法，識(shí)別出靶紙的中心[3]，流程如圖5所示。

光斑識(shí)別是在訓(xùn)練過程中對(duì)靶紙圖像中的瞄準(zhǔn)光斑進(jìn)行識(shí)別，通過實(shí)時(shí)地對(duì)圖像進(jìn)行采集，識(shí)別每幅圖像中光斑的位置[4]，進(jìn)而判定射手的訓(xùn)練成績(jī)，還原射手的整個(gè)訓(xùn)練過程，為評(píng)價(jià)其射擊行為提供依據(jù)，其處理流程如圖6所示。

圖5　智能圖像識(shí)別靶標(biāo)算法

圖6　光斑識(shí)別流程

2.3　智能實(shí)彈靶標(biāo)

智能實(shí)彈靶標(biāo)采用圖像識(shí)別原理實(shí)現(xiàn)，在靶標(biāo)前下方設(shè)置攝像頭，圖像識(shí)別過程與模擬靶標(biāo)類同。智能實(shí)彈靶標(biāo)配合現(xiàn)役靶紙使用，對(duì)靶紙粘貼精度要求不高，可智能識(shí)別靶紙類型和邊框，自動(dòng)修正靶紙粘貼過程引起的坐標(biāo)偏差。智能實(shí)彈靶標(biāo)通過圖像識(shí)別高速捕獲彈孔圖像，分析獲取彈著點(diǎn)，直接輸出坐標(biāo)，通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到訓(xùn)導(dǎo)終端。為貼近實(shí)戰(zhàn)要求，進(jìn)一步增強(qiáng)射擊目標(biāo)的多樣性，還專門設(shè)計(jì)了可變速起倒、搖擺復(fù)合的智能伺服機(jī)構(gòu)。智能實(shí)彈靶標(biāo)外形如圖7所示。

圖7　實(shí)彈靶標(biāo)外形

3結(jié)論

系統(tǒng)利用微傳感與特征識(shí)別等技術(shù)，解決了射手行為特征非侵入識(shí)別、彈著點(diǎn)高精度自動(dòng)檢測(cè)等難題，可滿足單兵和分隊(duì)在各種環(huán)境下的手槍、自動(dòng)步槍、機(jī)槍等輕武器模擬訓(xùn)練、實(shí)彈射擊、比武對(duì)抗的組織實(shí)施與訓(xùn)練考評(píng)。槍載數(shù)據(jù)傳感器可實(shí)現(xiàn)在不改變槍支結(jié)構(gòu)的前提下快捷安裝，智能靶標(biāo)可利用部隊(duì)現(xiàn)役靶紙實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)點(diǎn)軌跡和彈著點(diǎn)坐標(biāo)獲取。

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(責(zé)任編輯周江川)

收稿日期：2015-01-20

作者簡(jiǎn)介：郭英(1977—)，男，工程師，主要從事裝備試驗(yàn)技術(shù)。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.009

中圖分類號(hào)：TP274；TJ811

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0707(2015)07-0032-03

本文引用格式：郭英，王俊峰，袁義，等.非侵入式輕武器射擊訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(7):32-34.

Citation format:GUO Ying, WANG Jun-feng, YUAN Yi, et al.Design of Non-Invasive Training System for Light Arms Firing[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):32-34.

Design of Non-Invasive Training System for Light Arms Firing

GUO Ying1, WANG Jun-feng2, YUAN Yi1, ZHANG Jin1

(1.Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China;

2.Mailbox 105, No. A1, Badachu, Shijingshan District, Beijing 100144, China)

Abstract:The traditional training system for light arms firing requires modification or replacement of the current arms, targets and so on, thus the initial training conditions are changed, which is likely to harm the stability of performance of the shooter. Aiming to tackle this problem, this paper designed a non-invasive training system for light arms firing which adopts the idea of loose coupling and non-invasiveness, and conducted mock and live firing by using the current arms and targets and helped identify the gun mounting, aiming and firing of the shooter and the target boundary determination. So this system provides a new technical means for the light arms firing training.

Key words:non-invasiveness; light arms; gunnery training; gun-borne sensor; laser target

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【裝備理論與裝備技術(shù)】