王爽英，康雋睿，周玉清

(中國兵器工業(yè)第203研究所， 西安 710065)

【系統(tǒng)工程、測量與控制】

基于單兵智能武器系統(tǒng)的可穿戴裝備發(fā)展趨勢與設(shè)計(jì)構(gòu)思

王爽英，康雋睿，周玉清

(中國兵器工業(yè)第203研究所， 西安 710065)

主要介紹可穿戴裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合單兵智能武器系統(tǒng)特點(diǎn)，對單兵可穿戴裝備的需求進(jìn)行分析，重點(diǎn)闡述可穿戴裝備人機(jī)融合方面的研究目標(biāo)和內(nèi)容，指出關(guān)鍵技術(shù)和解決途徑，對開展可穿戴裝備人機(jī)融合設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

可穿戴裝備；人機(jī)融合；單兵武器；智能武器系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，穿戴式設(shè)備、感知計(jì)算等技術(shù)發(fā)展日益白熱化，人類和機(jī)器之間不斷相互作用、發(fā)展演進(jìn)，技術(shù)和機(jī)器對人類的價(jià)值日益凸顯：從跑步健身手環(huán)到健康監(jiān)測設(shè)備；從智能手機(jī)到智能手表；從谷歌眼鏡到VR虛擬眼鏡，可穿戴式設(shè)備產(chǎn)品已改變生活方式，并影響到諸多行業(yè)[1]。

在智能化彈藥領(lǐng)域，盡管各種高技術(shù)武器平臺和先進(jìn)的技術(shù)軍種裝備迅猛發(fā)展，無人平臺也有逐漸取代有人操縱武器平臺的趨勢，但是我們也不可否認(rèn)，在地面戰(zhàn)爭、反恐城市戰(zhàn)爭中士兵仍然扮演重要角色?，F(xiàn)階段很多國家都極為重視單兵裝備的高度集成技術(shù)研究。將穿戴式設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用到單兵武器裝備方向，進(jìn)行人機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)，必將與現(xiàn)代戰(zhàn)爭的未來發(fā)展契機(jī)相融合。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段各國已經(jīng)開展了相關(guān)產(chǎn)品的研究：

英國防務(wù)科技實(shí)驗(yàn)所于2016年9月展示了一個(gè)整合多項(xiàng)傳感器的可穿戴系統(tǒng)，幫助士兵在狀況復(fù)雜的城區(qū)沖突地帶更快速、清晰地掌握戰(zhàn)場整體環(huán)境。系統(tǒng)預(yù)計(jì)2020年后可裝備軍隊(duì)。這套系統(tǒng)包括激光、視覺導(dǎo)航等傳感器以及小型高清攝像頭，各子系統(tǒng)能輕松裝配在士兵的頭盔、手臂以及槍械上，從而為他們提供戰(zhàn)場導(dǎo)航并自動(dòng)偵測外部威脅。系統(tǒng)還能讓士兵隨時(shí)分享戰(zhàn)場信息，大大提高戰(zhàn)場感知能力[2]。

MBDA歐洲防務(wù)公司，提出了新概念武器—單兵低附帶毀傷導(dǎo)彈，該種導(dǎo)彈采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，GNSS制導(dǎo)，并攜帶多用途戰(zhàn)斗部。該導(dǎo)彈操控系統(tǒng)采用可穿戴技術(shù)，設(shè)計(jì)輕巧方便。其概念圖見圖1：

圖1 可穿戴裝備概念圖

美軍的理想單兵武器OICW系統(tǒng)設(shè)計(jì)始于1994年，采用大量的電子元件, 配置了全解算火控系統(tǒng), 穿戴式裝備包括激光測距儀、彈道計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、直瞄式光學(xué)瞄具、環(huán)境傳感器、電子羅盤、目標(biāo)跟蹤裝置、熱成像組件和可選擇性激光指示器[3]。

穿戴式裝備系統(tǒng)作為未來戰(zhàn)士設(shè)計(jì)的一部分，近年來，多個(gè)國家相繼在研發(fā)其相關(guān)技術(shù)，但由于成本和實(shí)用性的問題，目前這類整合系統(tǒng)很少真正全面裝備部隊(duì)[2]。

從上述系統(tǒng)的研發(fā)狀態(tài)看，各國在單兵裝備的總目標(biāo)是一致的，即：負(fù)載重量輕、視距更遠(yuǎn)、防護(hù)更好、反應(yīng)更快、環(huán)境適應(yīng)能力和作戰(zhàn)能力更強(qiáng)等；這與2020年以后未來陸軍發(fā)展的主戰(zhàn)裝備之一理想單兵武器(OICW)的發(fā)展方向一致，并體現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化的特點(diǎn)[4]。

我國在單兵智能可穿戴式裝備研究尚處于起步階段，如何將穿戴式裝備與武器系統(tǒng)人機(jī)融合，以此提升士兵在戰(zhàn)場中信息的獲取能力，提高人在回路里裝備跟蹤效率和命中精度，是一個(gè)有難度但是具有重大意義的設(shè)計(jì)工作。

2 單兵智能武器概述

2.1 單兵智能化武器

目前，根據(jù)國際形勢變化和武器裝備發(fā)展趨勢，按照我軍武器裝備現(xiàn)代化建設(shè)的新要求，需要不斷更新?lián)Q代、體系化、信息化、自動(dòng)化程度大大提高。單兵偵察和戰(zhàn)斗武器系統(tǒng)需要進(jìn)行多樣化系列化改進(jìn)，在智能化彈藥的單兵裝備中，將單兵作戰(zhàn)單元與武器系統(tǒng)結(jié)合，必然會提升裝備能力。

在單兵智能裝備中人在控制回路，作戰(zhàn)人員工作主要有：

1) 完成武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)移、攜行、發(fā)射準(zhǔn)備；

2) 操控飛行彈藥飛行航跡和精準(zhǔn)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，例如適合單兵裝置的武器有低附帶損傷導(dǎo)彈、圖像制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈、單兵巡飛偵察導(dǎo)彈等等。作戰(zhàn)人員頭手眼配合協(xié)調(diào)將對武器系統(tǒng)的成功應(yīng)用起到?jīng)Q定性作用；

3) 實(shí)時(shí)處理作戰(zhàn)單元在信息化戰(zhàn)場的態(tài)勢信息，包括接收上級命令和目標(biāo)信息、戰(zhàn)斗單元間信息交互、火力分配、陣地配置和戰(zhàn)斗效果上報(bào)等，支持北斗定位、超短波近距通訊和無線自組網(wǎng)；

因此如何滿足理想單兵武器系統(tǒng)要求重量輕，士兵攜行方便、信息融合實(shí)時(shí)有效以及精確打擊是人在回路的單兵智能化彈藥研發(fā)的技術(shù)重點(diǎn)。解決上述問題，穿戴式人機(jī)融合智能跟蹤技術(shù)無疑將是未來單兵裝備的一個(gè)新發(fā)展方向。開展該項(xiàng)技術(shù)的研究會使單兵武器裝備信息化、一體化和自動(dòng)化程度大大提高，對優(yōu)化單兵武器性能將起到非常重要的作用。

2.2 單兵穿戴裝備

單兵穿戴式裝備需要在重量、電源、傳感器、人機(jī)信息融合等幾個(gè)技術(shù)方面進(jìn)行研究和突破，技術(shù)突破后可穿戴技術(shù)的應(yīng)用將從頂層設(shè)計(jì)層面解決單兵裝備系統(tǒng)與智能武器設(shè)計(jì)融合，可完善目標(biāo)隨動(dòng)跟蹤等技術(shù)問題，通過人體生物特點(diǎn)和規(guī)律彌補(bǔ)各種智能化彈藥產(chǎn)品在重量、跟蹤精度等方面的不足，可穿戴裝備與智能化單兵武器進(jìn)行一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行突破。

舉例說明：現(xiàn)階段人在回路的反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)由射手搜索和跟蹤目標(biāo)。搜索目標(biāo)時(shí)，射手操縱單桿，通過瞄準(zhǔn)鏡或熱瞄具搜索目標(biāo)。發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，將單桿置于跟蹤狀態(tài)，操縱單桿，對目標(biāo)進(jìn)行精確跟蹤，使瞄準(zhǔn)鏡的十字線壓在目標(biāo)上，形成引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向目標(biāo)的導(dǎo)引基準(zhǔn)，直至導(dǎo)彈命中目標(biāo)。如果采用具有人機(jī)融合智能隨動(dòng)跟蹤技術(shù)的穿戴式產(chǎn)品裝備武器系統(tǒng)，可取代或完善單桿操作，將能夠使瞄準(zhǔn)和搜索目標(biāo)精度大大提高。

3 可穿戴裝備設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

針對智能化彈藥的單兵裝備，設(shè)計(jì)人在控制回路過程中，采用穿戴式人機(jī)融合方式通過視覺和隨身運(yùn)動(dòng)和位置傳感器完成人機(jī)數(shù)據(jù)融合形成數(shù)據(jù)信息提供給單兵裝備，以此完成導(dǎo)彈飛行優(yōu)化控制和目標(biāo)準(zhǔn)確定位跟蹤，以此提高全系統(tǒng)的自動(dòng)化操控水平和武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度。控制簡化模型見圖2。

圖2 控制簡化模型

設(shè)計(jì)用于智能化彈藥的可穿戴裝備，需要具備傳感器采集、數(shù)據(jù)融合處理、信息綜合顯示和表達(dá)等設(shè)備構(gòu)成，因此作者認(rèn)為可穿戴裝備系統(tǒng)基本組成見圖3。

圖3 系統(tǒng)設(shè)備組成圖

可穿戴人機(jī)融合系統(tǒng)工作原理如下：射手通過頭盔的綜合顯示裝置獲知態(tài)勢信息以及攻擊目標(biāo)信息，智能頭盔的眼動(dòng)采集跟蹤裝置將在射手進(jìn)行目標(biāo)搜索操作時(shí)，通過微型攝像機(jī)進(jìn)行眼球運(yùn)動(dòng)位置的圖像采集，與頭部移動(dòng)和肩部運(yùn)動(dòng)位置信息進(jìn)行融合處理，獲得目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征，射手結(jié)合該武器系統(tǒng)紅外導(dǎo)引頭傳來的目標(biāo)圖像信息進(jìn)行搜索跟蹤，當(dāng)射手確定目標(biāo)后，移動(dòng)身體或眼球跟蹤目標(biāo)后，系統(tǒng)可獲取信息，處理成目標(biāo)信息給彈上火控系統(tǒng)判斷決策，射手發(fā)射導(dǎo)彈后，通過臂掛信息與控制顯示器根據(jù)無線或有線鏈路傳輸?shù)膹椛闲畔⒖梢垣@取導(dǎo)彈狀態(tài)信息或圖像信息，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作控制。

3.2 技術(shù)方向

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將從以下幾個(gè)方面開展：

3.2.1 人機(jī)融合跟蹤技術(shù)應(yīng)用

射手操控單兵導(dǎo)彈武器系統(tǒng)需要頭手眼和姿態(tài)配合，完成電視/紅外目標(biāo)圖像的搜索與跟蹤，直至導(dǎo)彈順利擊中目標(biāo)。因此導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的射手在其瞄準(zhǔn)目標(biāo)過程中，需要研究以下內(nèi)容：

1) 單兵導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度與射手生理特性關(guān)系，主要研究眼球跟蹤運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將視線跟蹤技術(shù)應(yīng)用到該系統(tǒng)中；

2) 身體支持軟發(fā)射過程中，各受力部位產(chǎn)生的搖擺和晃動(dòng)給導(dǎo)彈系統(tǒng)初始彈道帶來的影響，包括對目標(biāo)的跟蹤過程的影響；

3) 外部環(huán)境變化(氣壓、氣溫、風(fēng)速)對射手生理?xiàng)l件的影響是否會對導(dǎo)彈發(fā)射和目標(biāo)搜索產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

通過對上述關(guān)系的研究，得到的研究結(jié)論，對人機(jī)信息融合處理將起到關(guān)鍵性的作用。

3.2.2 單兵智能綜合頭盔系統(tǒng)

導(dǎo)彈部隊(duì)的單兵頭盔的作用應(yīng)不再僅是防護(hù)頭部功能，而會將多種智能化綜合技術(shù)應(yīng)用其中，輔助士兵更好的執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)。頭盔上安裝的設(shè)備，包括綜合顯示系統(tǒng)、眼動(dòng)采集跟蹤裝置、無線電通信定位裝置以及加速度和陀螺儀傳感器，通過這些設(shè)備射手可以知悉上級任務(wù)；導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可獲取眼線跟蹤參數(shù)，從而提高瞄準(zhǔn)的精度；單兵位置信息上報(bào)給信息化指揮官，可以進(jìn)行優(yōu)化指揮決策。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，能夠融合各種裝置及傳感器的輕型智能頭盔系統(tǒng)必將會未來不久的時(shí)候產(chǎn)生。

3.2.3 輔助配套相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)

有資料顯示美軍的作戰(zhàn)軍服已配備了多種傳感器材，摩托羅拉公司為美國士兵提供了一種微型電腦，在軍服的皮帶上安裝小型鼠標(biāo)，使計(jì)算機(jī)和通信等技術(shù)將成為士兵佩戴在腰背、肩和頭部的普通武器裝備，這些裝備使士兵與上級指揮和通信系統(tǒng)直接聯(lián)系起來。在可穿戴式智能人機(jī)融合系統(tǒng)中，電子裝備將直接縫制或編制到織物里，例如：軍服內(nèi)設(shè)備的連接線纜和電源，以及保證武器系統(tǒng)發(fā)射環(huán)境的測量傳感器件，包括溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、姿態(tài)傳感器、身體位置傳感器。[5][6]外部環(huán)境傳感器和身體位置傳感器可以提供給人機(jī)融合微處理計(jì)算機(jī)，提供火控計(jì)算機(jī)判斷發(fā)射條件情況，并作為智能化彈藥的初始數(shù)據(jù)信息，根據(jù)身體位置姿態(tài)(臥姿、跪姿、站姿)進(jìn)行識別，由人機(jī)融合微處理計(jì)算機(jī)結(jié)合進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理，獲得最好的發(fā)射績效；

單兵武器系統(tǒng)電池通常是設(shè)計(jì)者考慮的重要裝備，除了電池待機(jī)時(shí)間長，重量輕體積小意外會遇到野外實(shí)戰(zhàn)中，作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)時(shí)間長引發(fā)的電源能力不足。如何解決此問題項(xiàng)目研究范圍還將考慮軍服織物內(nèi)設(shè)計(jì)感應(yīng)充電板，設(shè)計(jì)在裝甲運(yùn)兵車內(nèi)設(shè)置無線充電電源，在運(yùn)兵途中進(jìn)行電量補(bǔ)充。此外太陽能和生物運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換電能裝備都可考慮到系統(tǒng)中來。

4 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

穿戴式人機(jī)融合系統(tǒng)與單兵智能化武器結(jié)合需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑：

1) 數(shù)據(jù)提取問題：提取與智能化彈藥控制流程相關(guān)的人體生物信息，包括視線跟蹤數(shù)據(jù)、運(yùn)動(dòng)位置信息、環(huán)境狀態(tài)信息。通過數(shù)據(jù)提取，進(jìn)行歸類整理，找出微小差異與提取和分析帶來巨大偏差的原因；

2) 數(shù)據(jù)解析問題：不同的制導(dǎo)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的需求采樣不同，人在回路中參與的程度不同，需要使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)模型的完善，正確解析射手的生理數(shù)據(jù)參與智能化彈藥控制回路，以及正確解析智能化彈藥狀態(tài)數(shù)據(jù)簡單直接到射手的感官將是一件相對困難的工作，可通過大量數(shù)據(jù)的采集，獲得生理數(shù)據(jù)與操控武器系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)特征，尋找數(shù)據(jù)解析的方法；

3) 全系統(tǒng)設(shè)計(jì)精度和自由度問題。以硬件裝備為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軟件處理為核心的人機(jī)融合跟蹤技術(shù)，在設(shè)計(jì)精度上可以達(dá)到一個(gè)量化指標(biāo)，但是對射手的操作是否會帶來限制，超限制情況下對武器系統(tǒng)的影響范圍需要進(jìn)一步確定，通過與實(shí)際產(chǎn)品試用和測試，考慮得到系統(tǒng)精度和自由度，經(jīng)過多輪設(shè)計(jì)驗(yàn)證，完成全系統(tǒng)的精度和自由度保證；

4) 可穿戴式裝備結(jié)合單兵智能化彈藥一體化設(shè)計(jì)，需要結(jié)合單兵智能化彈藥作戰(zhàn)需求進(jìn)行分析。設(shè)備除了具有可穿戴功能，還有智能化、信息化，高度集成等特征。項(xiàng)目的研究將采用人因工程的方法和測試進(jìn)行評價(jià)[7]，對設(shè)計(jì)和研究過程將是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。

單兵武器裝備在實(shí)際作戰(zhàn)使用過程中，可穿戴設(shè)備要求在方便、簡單使用條件下提高其智能化、信息化程度使其在戰(zhàn)場上具有互通性，并且能夠提高武器系統(tǒng)精確打擊能力。開展上述技術(shù)的研究將需要依托于某型單兵武器系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，通過樣機(jī)的實(shí)現(xiàn)并與原武器裝備進(jìn)行對接，試驗(yàn)驗(yàn)證可穿戴式設(shè)備研究的必要性。

5 結(jié)論

可穿戴式人機(jī)融合系統(tǒng)的研發(fā)涉及多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，根據(jù)文中論述，與單兵智能武器系統(tǒng)相結(jié)合是現(xiàn)代單兵武器系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。雖然國內(nèi)相關(guān)科研院所已有相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的研究和試驗(yàn)結(jié)論，但是真正形成與武器系統(tǒng)配套的可穿戴式人機(jī)融合系統(tǒng)實(shí)體在裝備科研方面仍是空白地帶，需要進(jìn)行大量的基礎(chǔ)研發(fā)和科學(xué)測試。作者借此文進(jìn)行拋磚引玉，希望能夠得到相應(yīng)支持，將此研發(fā)繼續(xù)下去，直至形成產(chǎn)品，打造具有我軍特點(diǎn)的未來戰(zhàn)士裝備。

[1] ERIC BRADDOM.可穿戴式技術(shù)：機(jī)遇與挑戰(zhàn)無處不在[J].中國電子商情(基礎(chǔ)電子)，2014-02-08.

[2] 新華網(wǎng)，英國計(jì)劃用先進(jìn)可穿戴感知系統(tǒng)裝備軍隊(duì)，2016-09-23.

[3] 清泉，單兵武器發(fā)展思路[J].應(yīng)用光學(xué)，2006,27(5):422.

[4] 苗昊春,楊栓虎.智能化彈藥[M]北京：國防工業(yè)出版社，2014.2 148-149.

[5] 騰訊數(shù)碼，戰(zhàn)場神兵：軍用智能可穿戴設(shè)備，2015-03-21.

[6] 盧忠花，王卿璞.柔性可穿戴電子的新進(jìn)展[J].微納電子技術(shù)，2014，51(11).

[7] 王爽英、蒲小平.在反坦克導(dǎo)彈武器操控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用人因工程學(xué)理論[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2016，36(5).

[8] 鄧威，張德彬，智能可穿戴設(shè)備軍事應(yīng)用與發(fā)展趨勢[J].國防科技，2016， 37(1).

DevelopmentTrendandDiscussiononDesigningofWearableDeviceBasedonIndividualIntelligentWeaponsSystem

WANG Shuangying, KANG Junrui, ZHOU Yuqing

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries， Xi’an 710065， China)

The paper introduces the developmental status of Wearable device, and based on individual intelligent weapon characteristics, it analyzes requirement wearable device in individual weapon. Focused on its research objective and contents, and it points to the key technology and solutions, and imagination for development of the R&D for future products.

wearable device；man machine integration；individual weapon；intelligent weapon system

2017-09-12；

2017-09-30

王爽英，碩士，高級工程師，主要從事武器裝備操控系統(tǒng)研究。

10.11809/scbgxb2017.12.028

本文引用格式：王爽英，康雋睿，周玉清.基于單兵智能武器系統(tǒng)的可穿戴裝備發(fā)展趨勢與設(shè)計(jì)構(gòu)思[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):120-123.

formatWANG Shuangying, KANG Junrui, ZHOU Yuqing.Development Trend and Discussion on Designing of Wearable Device Based on Individual Intelligent Weapons System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):120-123.

TJ768.8

A

2096-2304(2017)12-0120-04

(責(zé)任編輯唐定國)