劉建宏，劉康，廖映華

（四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川宜賓， 644000）

0 引言

隨著智能化的快速發(fā)展，用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的需求不斷提高，在保證實(shí)用性的同時(shí)，還要考慮產(chǎn)品使用的效果如何。在軍隊(duì)、武警日常訓(xùn)練中，訓(xùn)練人員在第一次接觸手雷訓(xùn)練時(shí)，不僅對(duì)手雷的投擲技巧生疏，而且難免會(huì)有緊張的情緒，為保障訓(xùn)練人員的使用安全，在進(jìn)行手雷的實(shí)彈投擲訓(xùn)練前，需要進(jìn)行訓(xùn)練手雷的模擬訓(xùn)練，以達(dá)到熟練掌握投擲技巧，保障使用人員安全的目的。

手雷經(jīng)過(guò)過(guò)去幾十年的發(fā)展[1]，威力已經(jīng)得到了很大的提高，手雷投擲作為軍隊(duì)、武警日常訓(xùn)練必不可少的科目，保障訓(xùn)練人員的安全是一個(gè)重要前提，因此訓(xùn)練手雷孕育而出?，F(xiàn)如今的訓(xùn)練手雷主要在以下三個(gè)方面進(jìn)行的大量的研究：訓(xùn)練手雷的延時(shí)系統(tǒng)、訓(xùn)練手雷的聲光媒系統(tǒng)以及訓(xùn)練手雷的安全輔助裝置。其中訓(xùn)練手雷的聲光媒系統(tǒng)還存在很大的提升空間，對(duì)于聲光媒系統(tǒng)：有的采用基于單片機(jī)的蜂鳴器、發(fā)音喇叭、閃光燈等模擬聲、光效果，或者通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬空氣爆炸的聲音，這兩種的模擬效果都較差，難以給訓(xùn)練人員一種身臨其境的體驗(yàn)；也有的提出使火藥和煙霧劑混合，通過(guò)投擲后引爆，產(chǎn)生聲光煙，效果相對(duì)較好，但是因?yàn)榛鹚幣c煙霧劑的配比不同，產(chǎn)生的視聽(tīng)覺(jué)效果也有所差異，本文提出對(duì)爆炸后的聲光煙進(jìn)行智能化檢測(cè)。由于訓(xùn)練基數(shù)較大，為節(jié)約成本，訓(xùn)練手雷的使用次數(shù)都在數(shù)百次以上，所以需要對(duì)訓(xùn)練手雷的零部件進(jìn)行回收，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練手雷的快速回收，所以對(duì)投擲后的訓(xùn)練手雷進(jìn)行定位顯得尤為重要。

本文主要對(duì)訓(xùn)練手雷進(jìn)行智能化檢測(cè)，為了實(shí)現(xiàn)快速回收，對(duì)訓(xùn)練手雷的投擲落點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域定位；同時(shí)對(duì)爆炸所產(chǎn)生的聲光煙進(jìn)行采集、記錄，這有利于未來(lái)火藥與煙霧劑配比的優(yōu)化；針對(duì)現(xiàn)有的訓(xùn)練手雷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，增加每一枚訓(xùn)練手雷的使用次數(shù)記錄，以便于使用壽命（次數(shù)）分析。

1 落地區(qū)域定位

隨著互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，定位追蹤已經(jīng)融入了我們生活中的各行各業(yè)。無(wú)線(xiàn)通信下的定位追蹤也逐漸成為研究熱點(diǎn)。一方面是針對(duì)算法上的研究，李鎮(zhèn)[2]等人為了給雙目視覺(jué)的助老助殘機(jī)器人提供感知能力，提出了仿生眼定位追蹤算法，通過(guò)設(shè)計(jì)五個(gè)自由度的雙目仿生眼平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了仿生眼云臺(tái)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)的快速定位追蹤。陶磊[3]等人為避免無(wú)人機(jī)的跌落碰撞事件，提出了基于深度學(xué)習(xí)的算法對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和定位追蹤。另一方面也有基于單片機(jī)的應(yīng)用，何生毫[4]等人為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端搭載物體實(shí)時(shí)跟隨用戶(hù)，通過(guò)基于STM32設(shè)計(jì)的定位和測(cè)距的無(wú)線(xiàn)定位追蹤系統(tǒng)。以上都是針對(duì)實(shí)時(shí)定位的設(shè)計(jì)，本文只需對(duì)訓(xùn)練手雷的落地區(qū)域進(jìn)行定位即可，即通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)落地區(qū)域的定位。

在無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮著重要的作用，主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、互聯(lián)網(wǎng)或通信衛(wèi)星，以及管理節(jié)點(diǎn)四部分組成，如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，具有感知和采集環(huán)境數(shù)據(jù)的能力、計(jì)算和儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的能力以及通信能力。不僅可以對(duì)自己采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，而且可以對(duì)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存和管理，各節(jié)點(diǎn)之間共享信息，相互通信，共同完成指定的任務(wù)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由如圖2所示四部分組成。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，匯聚節(jié)點(diǎn)將接收到來(lái)自管理節(jié)點(diǎn)的任務(wù)發(fā)布給傳感器網(wǎng)絡(luò)，并轉(zhuǎn)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù)。管理節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器匯聚節(jié)點(diǎn)的信息傳遞來(lái)監(jiān)控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練手雷落地的定位，在檢測(cè)區(qū)域布置大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)訓(xùn)練手雷拋擲而出，在訓(xùn)練手雷的飛行過(guò)程中，訓(xùn)練手雷的彈體和保險(xiǎn)握片分離后落在不同的區(qū)域，通過(guò)提前對(duì)投擲區(qū)域進(jìn)行編號(hào)，當(dāng)區(qū)域附近的傳感器檢測(cè)到訓(xùn)練手雷的彈體和保險(xiǎn)握片的位置區(qū)域時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，最后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)再通過(guò)穩(wěn)定通信質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換；計(jì)算機(jī)作為管理節(jié)點(diǎn)，將接收的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示數(shù)據(jù)可知訓(xùn)練手雷彈體和保險(xiǎn)握片的掉落區(qū)域，便于快速尋找回收。

2 聲光煙檢測(cè)系統(tǒng)

訓(xùn)練手雷的高逼真性決定著使用人員的訓(xùn)練效果，對(duì)訓(xùn)練手雷爆炸后產(chǎn)生的聲光煙進(jìn)行檢測(cè)是衡量訓(xùn)練手雷的高逼真性的關(guān)鍵。在智能化不斷發(fā)展的時(shí)代，數(shù)據(jù)檢測(cè)也得到了快速的發(fā)展。對(duì)于數(shù)據(jù)的智能化檢測(cè)，常常用到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，吳江川[5]等人提出基于Tmote-Sky無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的溫濕度和光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)。本文也采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)訓(xùn)練手雷爆炸所產(chǎn)生的聲光煙進(jìn)行檢測(cè)。

聲強(qiáng)方面，簡(jiǎn)單的聲強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在主要是針對(duì)聲強(qiáng)檢測(cè)誤差的研究。例如針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器的聲功率和聲源識(shí)別問(wèn)題，周廣林[6]等人具體分析了雙傳聲器測(cè)量誤差的主要產(chǎn)生原因以及影響聲強(qiáng)檢測(cè)精度的主要因素。馬愛(ài)英[7]等人針對(duì)高速鐵路聲屏障的隔音檢測(cè)，討論了聲強(qiáng)法和聲壓法在檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。陳劍[8]等人對(duì)殘余聲強(qiáng)法修正測(cè)量的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明殘余聲強(qiáng)法修正的測(cè)量誤差是有偏的。本文針對(duì)訓(xùn)練手雷爆炸所產(chǎn)生的聲強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，故使用傳統(tǒng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。

光強(qiáng)方面，可分為連續(xù)光源和閃光的兩類(lèi)檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外對(duì)閃光的檢測(cè)研究較少，現(xiàn)在對(duì)光照強(qiáng)度檢測(cè)大多停留于連續(xù)光源的光強(qiáng)檢測(cè)，佟麗翠[9]等人通過(guò)LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)一種閃光燈的光強(qiáng)檢測(cè)，有效完成對(duì)閃光燈峰值、有效光強(qiáng)和閃光時(shí)間的檢測(cè)，在閃光檢測(cè)方面有一定的突破。對(duì)于連續(xù)光源的檢測(cè)，重點(diǎn)在研究不同的檢測(cè)方法，候啟真[10]等人針對(duì)傳統(tǒng)的發(fā)光二極管（LED）的光照檢測(cè)，為了獲得光源在工作現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，提高檢測(cè)效率，提出一種基于照度誤差的方法，通過(guò)多次迭代，實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)檢測(cè)。楊世權(quán)[11]等人為實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)地的光強(qiáng)信息的實(shí)時(shí)采集，采用了一種多路BH1750的光強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同場(chǎng)地的智能化管理。訓(xùn)練手雷爆炸所產(chǎn)生的光屬于瞬間閃光，要求傳感器的反應(yīng)速度較快。

煙霧方面，爆炸所產(chǎn)生的煙霧，較大程度上反映了火藥能量的利用效率，煙霧檢測(cè)的研究對(duì)訓(xùn)練手雷的使用性能的檢驗(yàn)起著不可忽視的作用。同時(shí)根據(jù)煙霧檢測(cè)的結(jié)果，可以對(duì)火藥與煙霧劑的配比進(jìn)行優(yōu)化分析，調(diào)整最佳的配比方案。國(guó)內(nèi)外對(duì)煙霧的檢測(cè)主要可以分為基于傳感器和基于視頻圖像[12]的煙霧檢測(cè)方法兩類(lèi)，其中基于視頻圖像的煙霧檢測(cè)是研究的熱點(diǎn)，尤其是面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)，基于視頻圖像的煙霧檢測(cè)起著無(wú)法替代的作用。例如為避免在對(duì)隧道煙霧預(yù)警時(shí)，由于環(huán)境因素（嚴(yán)重霧霾、濕度較大）可能造成的誤報(bào)，鄧實(shí)強(qiáng)[13]等人通過(guò)改進(jìn)Vibe算法和YUV色彩空間濾色規(guī)矩分割出完整煙霧區(qū)域，提出的基于視頻圖像的煙霧檢測(cè)方法，有效地避免了誤報(bào)，并且提高了檢測(cè)效率。葉寒雨[14]等人提出了一種視頻圖像的煙霧檢測(cè)算法SmokeNet，通過(guò)設(shè)置固定閾值去噪，并使用YOLOv4剔除運(yùn)動(dòng)物體的干擾，大大提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確率。由于訓(xùn)練手雷爆炸所產(chǎn)生的煙霧量較少，屬于局部檢測(cè)，故使用基于傳感器的煙霧檢測(cè)方法，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用如圖3所示的單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

圖3 煙霧檢測(cè)單片機(jī)

為了檢驗(yàn)訓(xùn)練手雷的爆炸效果，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)爆炸后所產(chǎn)生的聲光煙數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，為保障檢測(cè)的精度，檢測(cè)實(shí)驗(yàn)在黑暗密閉環(huán)境下進(jìn)行，同時(shí)對(duì)訓(xùn)練手雷的聲光煙數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 訓(xùn)練手雷聲光煙檢測(cè)

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由表1可見(jiàn)，訓(xùn)練手雷的聲強(qiáng)取值范圍在119dB~125dB，光照度取值范圍83lux~181lux，煙霧濃度取值范圍63mg/m3~112mg/m3。聲強(qiáng)的取值較為穩(wěn)定，光照度和煙霧濃度的取值隨著傳感器距離訓(xùn)練手雷的角度和位置不同發(fā)生較大的波動(dòng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中對(duì)訓(xùn)練手雷爆炸所產(chǎn)生的煙霧濃度可知，爆炸產(chǎn)生的煙霧較少，有很大的提升空間，火藥與煙霧劑配比的比例仍然是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

3 使用壽命（次數(shù)）預(yù)測(cè)

長(zhǎng)期使用的訓(xùn)練手雷會(huì)在一次次投擲和爆炸中磨損，為保障使用人員的安全，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損較大的訓(xùn)練手雷的回收，所以對(duì)訓(xùn)練手雷的使用壽命（次數(shù)）分析尤為重要。王克選[15]等人通過(guò)ANSYS對(duì)手雷模擬器進(jìn)行投擲分析，通過(guò)對(duì)不同部位著地進(jìn)行靜應(yīng)力分析，得出手雷頂部著地時(shí)所受應(yīng)力最大。通過(guò)測(cè)試，現(xiàn)有的訓(xùn)練手雷可安全重復(fù)使用次數(shù)在300次以上，為保障使用安全，對(duì)訓(xùn)練手雷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)一個(gè)訓(xùn)練手雷使用次數(shù)的計(jì)數(shù)結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

圖4 一種手投式模擬裝置的優(yōu)化

針對(duì)孫洪宇[16]提出的一種手投式模擬裝置的改進(jìn)，在裝彈階段，先將電擊發(fā)聲光媒裝入彈膛體，再將彈膛體通過(guò)螺紋固定到底座內(nèi)，裝彈過(guò)程中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)彈膛體，電擊發(fā)聲光媒底部先觸碰到計(jì)數(shù)按壓按鈕，再觸碰到導(dǎo)電裝置，實(shí)現(xiàn)一次計(jì)數(shù)并完成裝彈。在使用階段，通過(guò)拔掉保險(xiǎn)拉件，使用者緊握保險(xiǎn)握片，此時(shí)永磁鐵和感應(yīng)元件的距離依然保持不變，當(dāng)訓(xùn)練手雷投擲后，保險(xiǎn)握片脫離，永磁鐵和感應(yīng)元件距離發(fā)生變化，此時(shí)相應(yīng)的磁場(chǎng)傳導(dǎo)給感應(yīng)元件的磁場(chǎng)大小發(fā)生變化，從而使產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)，通過(guò)控制電路將電池的電能通過(guò)導(dǎo)電裝置傳遞給電擊發(fā)聲光媒里面的發(fā)熱電阻，發(fā)熱電阻產(chǎn)生熱量點(diǎn)燃煙火劑，實(shí)現(xiàn)引爆。在拆卸階段，回收彈體后，旋轉(zhuǎn)螺紋取下彈膛體，此時(shí)按壓裝置脫離電擊發(fā)聲光媒，恢復(fù)到最初狀態(tài)，便于下次安裝計(jì)數(shù)。

互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時(shí)代，智能檢測(cè)的快速發(fā)展，人們對(duì)于檢測(cè)的要求不再是單一數(shù)據(jù)檢測(cè)，而是逐漸形成一個(gè)可視化檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)可視化檢測(cè)系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)，也可以對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析。對(duì)于可視化系統(tǒng)的研究也越來(lái)越多，例如為解決用電的負(fù)荷預(yù)測(cè)、異常分析和線(xiàn)損分析等問(wèn)題，針對(duì)計(jì)量自動(dòng)化終端可能出現(xiàn)的問(wèn)題，李錦焙[17]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)故障區(qū)域的定位，通過(guò)可視化檢測(cè)對(duì)上行通信設(shè)備進(jìn)行各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)控，再通過(guò)移動(dòng)終端和手機(jī)APP進(jìn)行查看?？梢酝ㄟ^(guò)可視化檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)訓(xùn)練手雷的爆炸數(shù)據(jù)（聲、光、煙）進(jìn)行記錄，并在計(jì)算機(jī)終端顯示，同時(shí)也可顯示出投擲后未發(fā)生爆炸的啞彈數(shù)量，便于檢驗(yàn)訓(xùn)練手雷的質(zhì)量，并顯示該手雷的已使用次數(shù)。

4 總結(jié)與展望

本文提出訓(xùn)練手雷的智能化檢測(cè)系統(tǒng)，即通過(guò)在訓(xùn)練區(qū)域，提前布置好各類(lèi)傳感器，同時(shí)顯示各個(gè)傳感器模塊的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換在投擲訓(xùn)練中損壞的傳感器模塊；通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)投擲后的訓(xùn)練手雷進(jìn)行區(qū)域定位，顯示訓(xùn)練手雷零部件現(xiàn)在處于的區(qū)域，便于快速地回收；同時(shí)對(duì)訓(xùn)練手雷爆炸所產(chǎn)生的聲光煙效果進(jìn)行采集、記錄和顯示；通過(guò)優(yōu)化訓(xùn)練手雷的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)使用次數(shù)的記錄，便于對(duì)后續(xù)使用的壽命（次數(shù)）分析和預(yù)測(cè)。通過(guò)計(jì)算機(jī)終端可見(jiàn)每枚訓(xùn)練手雷的詳細(xì)數(shù)據(jù)：訓(xùn)練手雷的落地區(qū)域、爆炸所產(chǎn)生的聲光煙數(shù)據(jù)、訓(xùn)練手雷已使用次數(shù)，同時(shí)也會(huì)記錄投擲后未爆炸的啞彈數(shù)量，便于分析訓(xùn)練手雷的質(zhì)量。

訓(xùn)練手雷經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)、延時(shí)機(jī)構(gòu)和安全輔助裝置方面取得了很大的進(jìn)展，但是對(duì)于高聲爆和高煙霧的模擬仍然處于短板，通過(guò)可視化檢測(cè)系統(tǒng)，有了更加準(zhǔn)確的爆炸檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于未來(lái)的火藥與煙霧劑的配比優(yōu)化，提供重要的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)智能化檢測(cè)系統(tǒng)可以成立個(gè)人檔案，記錄使用人員每次的投擲記錄，投擲距離、拋物線(xiàn)等參數(shù)，便于根據(jù)不同需求，制定不同訓(xùn)練任務(wù)。