曹鳳才,劉帥鳳,余紅英,曹偉光

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,太原 030051;2.山西壺關(guān)農(nóng)村商業(yè)銀行股份有限公司,山西 壺關(guān) 047300)

基于慣性傳感器的射手動(dòng)作檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹鳳才1*,劉帥鳳1,余紅英1,曹偉光2

(1.中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院,太原 030051;2.山西壺關(guān)農(nóng)村商業(yè)銀行股份有限公司,山西 壺關(guān) 047300)

為了檢測(cè)射手在模擬射擊過程中動(dòng)作是否規(guī)范,實(shí)現(xiàn)操作要領(lǐng)的自查自糾,提出一種通過安裝在槍支上的慣性測(cè)量單元進(jìn)行射手動(dòng)作數(shù)據(jù)捕獲的方法。根據(jù)射擊實(shí)際動(dòng)作要領(lǐng)在槍支相應(yīng)部位綁定慣性傳感器,用以采集對(duì)應(yīng)位置的動(dòng)作數(shù)據(jù)。系統(tǒng)下位機(jī)完成射手動(dòng)作檢測(cè)與識(shí)別,并將采集到的數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)上。實(shí)驗(yàn)表明,本文設(shè)計(jì)的基于慣性傳感器的射手動(dòng)作檢測(cè)系統(tǒng),提高了射擊訓(xùn)練的自動(dòng)化程度,節(jié)省了訓(xùn)練資源投入,使訓(xùn)練更加安全有效。

動(dòng)作檢測(cè);模擬射擊;慣性傳感器;射擊成績(jī)?cè)u(píng)定

在當(dāng)代軍事演習(xí)訓(xùn)練中,如何提高訓(xùn)練效率以及軍人在訓(xùn)練過程中的動(dòng)作要領(lǐng)規(guī)范性,是當(dāng)前軍事科技研究中的重點(diǎn)。我軍部隊(duì)的打靶射擊訓(xùn)練,絕大部分還是采用實(shí)彈射擊的訓(xùn)練方式,不僅消耗大量彈藥、槍支磨損程度增加,而且組織實(shí)施繁瑣,人員投入大、槍支彈藥管理困難,還要充分考慮實(shí)彈射擊安全問題。以上所述因素都嚴(yán)重束縛了實(shí)彈打靶射擊訓(xùn)練的開展實(shí)施,訓(xùn)練次數(shù)受到限制,訓(xùn)練效果不佳,導(dǎo)致訓(xùn)練周期延長(zhǎng),進(jìn)而影響部隊(duì)快速作戰(zhàn)能力的形成。

目前世界上發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用激光模擬射擊訓(xùn)練裝置進(jìn)行射擊訓(xùn)練,發(fā)展比較成熟的有MILES系統(tǒng)、BEAMHIT系統(tǒng)以及9φ838激光模擬器等。主要由激光發(fā)射器和探測(cè)器組成,當(dāng)射擊武器時(shí),激光發(fā)射器射出紅外激光束,脈沖激光束由安裝在武器或參訓(xùn)人員身上的探測(cè)器接收,并由探測(cè)器檢測(cè)判斷接收方損傷程度,而且可以判斷出是哪個(gè)部位、哪個(gè)系統(tǒng)被命中,做出被擊中目標(biāo)能否繼續(xù)參訓(xùn)的判斷。此裝置使用靈活,可以對(duì)單個(gè)或多個(gè)目標(biāo)同時(shí)進(jìn)行射擊,也可以在移動(dòng)中進(jìn)行射擊,因此在各類演習(xí)訓(xùn)練中得到廣泛使用[1]。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)于輕武器輔助訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)還處于初級(jí)階段,但近年來,在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研制方面依然取得了快速的發(fā)展。聲電定位自動(dòng)報(bào)靶系統(tǒng)[2]、激光打靶器系統(tǒng)以及步兵模擬訓(xùn)練器的相繼推出,都在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的訓(xùn)練效果。但是,這些訓(xùn)練器材大部分是槍靶一體,采用有線通信,設(shè)備繁瑣,攜帶不便,且作用距離受限于控制線長(zhǎng)度;還有的不配備上位機(jī)軟件系統(tǒng),不能實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練成績(jī)的分析存儲(chǔ),模擬訓(xùn)練設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單,不能真正滿足部隊(duì)軍事訓(xùn)練需求。

本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有95式步槍模擬訓(xùn)練器材功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,將慣性傳感器應(yīng)用于射手動(dòng)作檢測(cè)系統(tǒng)。不僅實(shí)現(xiàn)了槍靶分離,還利用無線傳輸裝置將射手握槍射擊信息發(fā)送到上位機(jī)。真正實(shí)現(xiàn)了從訓(xùn)練者持槍開始到整個(gè)打靶射擊訓(xùn)練對(duì)射手據(jù)槍動(dòng)作的實(shí)時(shí)檢測(cè)。不僅可以檢測(cè)使用者對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)與射擊過程中是否存在動(dòng)作要領(lǐng)不規(guī)范、不正確的情況,實(shí)現(xiàn)操作要領(lǐng)的自查自糾;還能用于評(píng)估射手對(duì)目標(biāo)實(shí)施瞄準(zhǔn)、射擊的要領(lǐng)是否準(zhǔn)確,并對(duì)成績(jī)進(jìn)行評(píng)估。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求

本設(shè)計(jì)所使用的實(shí)裝模擬射擊槍具有與真槍相同的部件分解與組合功能,使用者可以在實(shí)裝模擬射擊槍上進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的分解結(jié)合訓(xùn)練。既能滿足單兵打靶訓(xùn)練的要求,又能進(jìn)行多兵對(duì)抗訓(xùn)練。實(shí)裝模擬射擊槍上安裝有激光發(fā)射裝置,與多功能目標(biāo)靶位聯(lián)機(jī)來模擬槍支射擊過程及被命中的戰(zhàn)損狀況。此外,當(dāng)模擬射擊槍與士兵所穿著的“彈著點(diǎn)顯示服”配合使用時(shí),當(dāng)顯示服接收到所發(fā)射的激光信息后,能夠顯示著彈點(diǎn),并發(fā)射人員傷損信息,使訓(xùn)練貼近實(shí)戰(zhàn)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

實(shí)裝模擬射擊槍與多功能顯示靶配合,在不需要聯(lián)機(jī)的情況下單獨(dú)使用,可以在多功能顯示靶上直接顯示參數(shù)信息;實(shí)裝模擬射擊槍、多功能顯示靶與射擊成績(jī)?cè)u(píng)定系統(tǒng)聯(lián)機(jī)使用,將多功能顯示靶在接收實(shí)裝模擬射擊槍發(fā)射的激光信息,以及實(shí)裝模擬射擊槍傳感器采集的動(dòng)作要領(lǐng)等信息,對(duì)射擊成績(jī)、所用時(shí)間、彈著點(diǎn)位置等要素,按不同射擊訓(xùn)練類別進(jìn)行處理分析后,對(duì)射手進(jìn)行綜合評(píng)定。彈著點(diǎn)位置顯示服具有普通服裝的可折疊能力,并能在相應(yīng)位置按彈著點(diǎn)顯示要求進(jìn)行一定倍數(shù)的放大顯示,其信息采集發(fā)送模塊能夠?qū)椫c(diǎn)的位置信息進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)發(fā)送。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

當(dāng)槍械的動(dòng)態(tài)參數(shù)物理量發(fā)生變化時(shí),傳感器會(huì)將物理變化量轉(zhuǎn)化為電磁信號(hào),電信號(hào)值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化后通過無線模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上,并在專門的檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)軟件上對(duì)釆集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,最后在屏幕上顯示出射手在設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)姿態(tài)數(shù)據(jù),最終對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析判斷射手動(dòng)作是否符合要求[3]。

射手動(dòng)作檢測(cè)裝置安裝在槍身上,實(shí)裝模擬射擊槍是在原槍的基礎(chǔ)上增加了多個(gè)傳感裝置及激光發(fā)射裝置,為滿足功能實(shí)現(xiàn)還增加電源及各類開關(guān)裝置。增加的各類組件必須滿足以下設(shè)計(jì)要求:

(1)傳感器、電源、開關(guān)等裝置不得影響槍支分解、結(jié)合,以及基本設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn);

(2)各類增加的功能組件的傳輸線應(yīng)與槍支的槍身以及其他部件使用的工程塑料制成一體,各槍支組件需要進(jìn)行傳輸線連接時(shí),應(yīng)加裝連接線插頭,所有連接線的插頭必須在槍身內(nèi)有固定位置,且便已在分解結(jié)合訓(xùn)練中進(jìn)行斷開;

(3)由于槍支使用空爆彈,激光發(fā)射裝置則應(yīng)安裝在槍管的上方位置,而無需改動(dòng)槍支原有功能。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 實(shí)裝模擬射擊槍單元結(jié)構(gòu)框圖

電源模塊負(fù)責(zé)給主控制器及定位系統(tǒng)供電。GPRS無線通信模塊通過串口與主控芯片通信,并實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射單元和其他單元的無線通信。此外,模擬槍還可以根據(jù)訓(xùn)練人員的不同調(diào)練階段,產(chǎn)生不同的激光射出功能,一是據(jù)槍瞄準(zhǔn)初期四點(diǎn)一線的平正檢查階段,二是瞄準(zhǔn)預(yù)壓槍擊的激發(fā)階段,三是射擊擊發(fā)后的自我檢查階段。不同訓(xùn)練情況對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)換開關(guān),調(diào)整激光發(fā)射裝置的不同檔位。射手動(dòng)作檢測(cè)系統(tǒng)主要由多個(gè)應(yīng)變式壓力傳感器以及MEMS傾角傳感器組成。在進(jìn)行射擊動(dòng)作要領(lǐng)訓(xùn)練與瞄準(zhǔn)訓(xùn)練時(shí),射手射擊信息會(huì)在對(duì)應(yīng)位置直接顯示,將傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)比對(duì)分析后,為訓(xùn)練人員提供射擊要領(lǐng)正確與否的自查自糾信息。

2.2 動(dòng)作檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)動(dòng)作采集裝置可以分為微壓力采集和傾斜角采集兩部分。彈夾裝卸檢測(cè)模塊、槍托抵?jǐn)n肩窩檢測(cè)模塊、槍身貼腮位置檢測(cè)模塊以及槍擊壓力檢測(cè)模塊均由微壓力傳感器組成;槍身傾角檢測(cè)模塊由傾角傳感器組成。由于需要采集的數(shù)據(jù)較多,因此傳感器在本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用。

本設(shè)計(jì)中采用電阻應(yīng)變片來檢測(cè)壓力的大小,使用起來很靈活,在測(cè)量構(gòu)件應(yīng)變時(shí),直接將應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件上即可。由于壓力經(jīng)應(yīng)變片轉(zhuǎn)換得到的電信號(hào)幅度很小,因此需對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大處理后才能進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,來自傳感器的信號(hào)要用漂移和失調(diào)極小的高精度放大器進(jìn)行放大,此處采用OP-07放大器來對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大[4]。角度采集裝置使用MEMS傾角傳感器芯片SCA100T,分辨率高,噪聲低,工作溫度范圍寬,有過阻尼感應(yīng)元件,能夠承受大于2 000gn的機(jī)械振動(dòng)。此外,系統(tǒng)還采用噪聲高精度穩(wěn)壓芯片AD586來減少電源波動(dòng)帶來的模擬噪聲。AD轉(zhuǎn)換芯片ADS1115將采集的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量[5]。系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 總體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.3 無線通訊模塊設(shè)計(jì)

將射手在射擊過程中的動(dòng)作參數(shù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)地傳遞處理與顯示是該設(shè)計(jì)中不可缺少的部分。無線通信模塊由兩部分組成:發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備。兩者的通信是雙向的,發(fā)送設(shè)備與數(shù)據(jù)處理模塊相連,與數(shù)據(jù)處理模塊集成在同一塊電路板上,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送工作;接收設(shè)備與上位機(jī)終端相連,實(shí)現(xiàn)將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)終端[6]。本系統(tǒng)采取GPRS作為通信網(wǎng)絡(luò),采用SIM900A芯片來充當(dāng)通信模塊,該模塊同時(shí)支持GSM/GPRS兩種頻率(900 MHz/1 800 MHz)雙模通信,并通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到顯示終端。以單個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊為例,數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集后,通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和Internet進(jìn)行傳輸,最終到達(dá)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器終端[7]。原理圖如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

圖5 軟件工作流程圖

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部分,射手動(dòng)作檢測(cè)系統(tǒng)硬件的驅(qū)動(dòng)控制以及計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊之間的數(shù)據(jù)傳送和處理分析都是通過軟件編程實(shí)現(xiàn)的[8]。本設(shè)計(jì)采用μCOS-Ⅲ操作系統(tǒng)。它是一個(gè)代碼完全開放的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),可移植性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性能好。其內(nèi)核對(duì)象結(jié)構(gòu)完善,各內(nèi)核對(duì)象都內(nèi)置時(shí)間戳變量,使任務(wù)進(jìn)行與實(shí)時(shí)行相關(guān)的調(diào)試更加便捷,任務(wù)內(nèi)建消息隊(duì)列后,中斷程序可以直接發(fā)送給任務(wù)而不通過消息隊(duì)列,這在信號(hào)采集中能夠大大提高實(shí)時(shí)處理能力,從而提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。采用VC++編寫系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)功能。系統(tǒng)軟件的流程如圖5所示,系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分:檢測(cè)部分的程序處理和后臺(tái)射手動(dòng)作判斷應(yīng)用程序的開發(fā)。兩部分相互配合工作才能完成完整的動(dòng)作檢測(cè)及判定。

檢測(cè)部分的程序主要包括主程序、初始化程序、I2C軟件模擬驅(qū)動(dòng)程序、單總線驅(qū)動(dòng)程序、定時(shí)讀取ADS1115程序和數(shù)據(jù)處理等程序[9]。后臺(tái)射手動(dòng)作判斷應(yīng)用程序包括接收無線模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)以及射手成績(jī)?cè)u(píng)定系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì),并在這其中進(jìn)行算法設(shè)計(jì),對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,完成動(dòng)作判斷與成績(jī)判定。

4 系統(tǒng)性能測(cè)試及結(jié)果分析

測(cè)試平臺(tái)由裝有慣性傳感器的實(shí)裝模擬射擊槍和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。傳感器的安裝位置如圖6所示。

圖6 傳感器安裝位置圖

射手持槍并啟動(dòng)開關(guān)后,系統(tǒng)進(jìn)入工作模式,采集射手持槍各部分的壓力信號(hào)和角度傾斜信號(hào)并發(fā)送到計(jì)算機(jī)上。由于本設(shè)計(jì)主要使用壓力傳感器以及傾角傳感器,采集到的壓力及角度會(huì)以波形圖的形式顯示在上位機(jī)上[10]。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)啟動(dòng)后,各模塊采集到的數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化如圖所示。

圖7 壓力曲線界面

圖8 傾角曲線界面

由變化曲線可得出,伴隨時(shí)間的變化,射手基本動(dòng)作也在改變。槍擊位置后側(cè)的壓力增加表明射手正在扣扳機(jī)進(jìn)行射擊,槍身晃動(dòng)增加,各部分壓力也隨之增加,特別是射手肩窩部分的壓力。從結(jié)果可以看出,該裝置能夠檢測(cè)出射手射擊中的上肢基本動(dòng)作,具有一定的使用價(jià)值。

5 結(jié)論

通過對(duì)射手在射擊過程中上肢動(dòng)作行為的研究,設(shè)計(jì)的射手動(dòng)作檢測(cè)裝置,采用微壓力傳感器和傾角傳感器感知射手各部分動(dòng)作是否到位,通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出判斷結(jié)果,準(zhǔn)確率較高。同時(shí)配合激光發(fā)射裝置以及多功能顯示靶等裝置對(duì)不同射手的射擊成績(jī)、所用時(shí)間、彈著點(diǎn)位置等要素按不同射擊訓(xùn)練類別進(jìn)行處理分析后,對(duì)射手進(jìn)行綜合評(píng)定。該裝置在使用上也很方便,為部隊(duì)訓(xùn)練、實(shí)戰(zhàn)演習(xí)等等領(lǐng)域提供了良好的訓(xùn)練平臺(tái)。

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Design of the Shooter’s Motion Detection System Based on Inertial Sensor

CAOFengcai1*,LIUShuaifeng1,YUHongying1,CAOWeiguang2

(1.School of Computer Science and Control Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Huguan Rural Commercial Bank Ltd Co.,Huguang Shanxi 047300,China)

In order to detect firing is standard action of the shooter and realize the Adaptive adjustment in the simulation process,a method of using IMU installed on the gun to capture the movement data of the shooter is proposed. According to the actual action,IMU is bound to the corresponding position of the gun.Using the C programming language to realize system control functions of lower computer software system,the collected data is displayed on the PC.The experimental results show that the design of the motion detection system based on inertial sensors in this paper can improve the automation degree of shooting training,save the training resources and make the training more safe and effective.

motion detection;Simulated shooting;inertial sensors;shooting Grading

2016-04-27 修改日期:2016-06-28

TP212.9

A

1005-9490(2017)03-0672-04

C:7230;7320G

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.031