基于慣性傳感器的射手動作檢測系統設計

曹鳳才,劉帥鳳,余紅英,曹偉光

(1.中北大學計算機與控制工程學院,太原 030051;2.山西壺關農村商業銀行股份有限公司,山西 壺關 047300)

基于慣性傳感器的射手動作檢測系統設計

曹鳳才1*,劉帥鳳1,余紅英1,曹偉光2

(1.中北大學計算機與控制工程學院,太原 030051;2.山西壺關農村商業銀行股份有限公司,山西 壺關 047300)

為了檢測射手在模擬射擊過程中動作是否規范,實現操作要領的自查自糾,提出一種通過安裝在槍支上的慣性測量單元進行射手動作數據捕獲的方法。根據射擊實際動作要領在槍支相應部位綁定慣性傳感器,用以采集對應位置的動作數據。系統下位機完成射手動作檢測與識別,并將采集到的數據顯示在上位機上。實驗表明,本文設計的基于慣性傳感器的射手動作檢測系統,提高了射擊訓練的自動化程度,節省了訓練資源投入,使訓練更加安全有效。

動作檢測;模擬射擊;慣性傳感器;射擊成績評定

在當代軍事演習訓練中,如何提高訓練效率以及軍人在訓練過程中的動作要領規范性,是當前軍事科技研究中的重點。我軍部隊的打靶射擊訓練,絕大部分還是采用實彈射擊的訓練方式,不僅消耗大量彈藥、槍支磨損程度增加,而且組織實施繁瑣,人員投入大、槍支彈藥管理困難,還要充分考慮實彈射擊安全問題。以上所述因素都嚴重束縛了實彈打靶射擊訓練的開展實施,訓練次數受到限制,訓練效果不佳,導致訓練周期延長,進而影響部隊快速作戰能力的形成。

目前世界上發達國家普遍采用激光模擬射擊訓練裝置進行射擊訓練,發展比較成熟的有MILES系統、BEAMHIT系統以及9φ838激光模擬器等。主要由激光發射器和探測器組成,當射擊武器時,激光發射器射出紅外激光束,脈沖激光束由安裝在武器或參訓人員身上的探測器接收,并由探測器檢測判斷接收方損傷程度,而且可以判斷出是哪個部位、哪個系統被命中,做出被擊中目標能否繼續參訓的判斷。此裝置使用靈活,可以對單個或多個目標同時進行射擊,也可以在移動中進行射擊,因此在各類演習訓練中得到廣泛使用[1]。雖然國內對于輕武器輔助訓練系統的開發還處于初級階段,但近年來,在模擬訓練系統的研制方面依然取得了快速的發展。聲電定位自動報靶系統[2]、激光打靶器系統以及步兵模擬訓練器的相繼推出,都在實際應用中取得了較好的訓練效果。但是,這些訓練器材大部分是槍靶一體,采用有線通信,設備繁瑣,攜帶不便,且作用距離受限于控制線長度;還有的不配備上位機軟件系統,不能實現對訓練成績的分析存儲,模擬訓練設備相對簡單,不能真正滿足部隊軍事訓練需求。

本設計在現有95式步槍模擬訓練器材功能實現的基礎上,將慣性傳感器應用于射手動作檢測系統。不僅實現了槍靶分離,還利用無線傳輸裝置將射手握槍射擊信息發送到上位機。真正實現了從訓練者持槍開始到整個打靶射擊訓練對射手據槍動作的實時檢測。不僅可以檢測使用者對目標進行瞄準與射擊過程中是否存在動作要領不規范、不正確的情況,實現操作要領的自查自糾;還能用于評估射手對目標實施瞄準、射擊的要領是否準確,并對成績進行評估。

1 系統整體結構及設計要求

本設計所使用的實裝模擬射擊槍具有與真槍相同的部件分解與組合功能,使用者可以在實裝模擬射擊槍上進行相對應的分解結合訓練。既能滿足單兵打靶訓練的要求,又能進行多兵對抗訓練。實裝模擬射擊槍上安裝有激光發射裝置,與多功能目標靶位聯機來模擬槍支射擊過程及被命中的戰損狀況。此外,當模擬射擊槍與士兵所穿著的“彈著點顯示服”配合使用時,當顯示服接收到所發射的激光信息后,能夠顯示著彈點,并發射人員傷損信息,使訓練貼近實戰。系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

實裝模擬射擊槍與多功能顯示靶配合,在不需要聯機的情況下單獨使用,可以在多功能顯示靶上直接顯示參數信息;實裝模擬射擊槍、多功能顯示靶與射擊成績評定系統聯機使用,將多功能顯示靶在接收實裝模擬射擊槍發射的激光信息,以及實裝模擬射擊槍傳感器采集的動作要領等信息,對射擊成績、所用時間、彈著點位置等要素,按不同射擊訓練類別進行處理分析后,對射手進行綜合評定。彈著點位置顯示服具有普通服裝的可折疊能力,并能在相應位置按彈著點顯示要求進行一定倍數的放大顯示,其信息采集發送模塊能夠將彈著點的位置信息進行戰場實時發送。

2 硬件設計

2.1 系統設計原理

當槍械的動態參數物理量發生變化時,傳感器會將物理變化量轉化為電磁信號,電信號值經過A/D轉化后通過無線模塊傳輸到上位機上,并在專門的檢測系統開發軟件上對釆集到的數據進行處理分析,最后在屏幕上顯示出射手在設計過程中的各項姿態數據,最終對檢測結果進行分析判斷射手動作是否符合要求[3]。

射手動作檢測裝置安裝在槍身上,實裝模擬射擊槍是在原槍的基礎上增加了多個傳感裝置及激光發射裝置,為滿足功能實現還增加電源及各類開關裝置。增加的各類組件必須滿足以下設計要求:

(1)傳感器、電源、開關等裝置不得影響槍支分解、結合,以及基本設計功能的實現;

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

(3)由于槍支使用空爆彈,激光發射裝置則應安裝在槍管的上方位置,而無需改動槍支原有功能。結構框圖如圖2所示。

圖2 實裝模擬射擊槍單元結構框圖

電源模塊負責給主控制器及定位系統供電。GPRS無線通信模塊通過串口與主控芯片通信,并實現激光發射單元和其他單元的無線通信。此外,模擬槍還可以根據訓練人員的不同調練階段,產生不同的激光射出功能,一是據槍瞄準初期四點一線的平正檢查階段,二是瞄準預壓槍擊的激發階段,三是射擊擊發后的自我檢查階段。不同訓練情況對應不同的轉換開關,調整激光發射裝置的不同檔位。射手動作檢測系統主要由多個應變式壓力傳感器以及MEMS傾角傳感器組成。在進行射擊動作要領訓練與瞄準訓練時,射手射擊信息會在對應位置直接顯示,將傳感器采集的數據經比對分析后,為訓練人員提供射擊要領正確與否的自查自糾信息。

2.2 動作檢測系統硬件設計

整個動作采集裝置可以分為微壓力采集和傾斜角采集兩部分。彈夾裝卸檢測模塊、槍托抵攏肩窩檢測模塊、槍身貼腮位置檢測模塊以及槍擊壓力檢測模塊均由微壓力傳感器組成;槍身傾角檢測模塊由傾角傳感器組成。由于需要采集的數據較多,因此傳感器在本系統硬件設計中有著非常重要的作用。

本設計中采用電阻應變片來檢測壓力的大小,使用起來很靈活,在測量構件應變時,直接將應變片粘貼在構件上即可。由于壓力經應變片轉換得到的電信號幅度很小,因此需對此信號進行放大處理后才能進行 A/D 轉換。在數據采集系統中,來自傳感器的信號要用漂移和失調極小的高精度放大器進行放大,此處采用OP-07放大器來對信號進行放大[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,有過阻尼感應元件,能夠承受大于2 000gn的機械振動。此外,系統還采用噪聲高精度穩壓芯片AD586來減少電源波動帶來的模擬噪聲。AD轉換芯片ADS1115將采集的模擬量轉換成數字量[5]。系統總體硬件結構圖如圖3所示。

圖3 總體硬件結構圖

2.3 無線通訊模塊設計

將射手在射擊過程中的動作參數信息進行實時地傳遞處理與顯示是該設計中不可缺少的部分。無線通信模塊由兩部分組成:發送設備和接收設備。兩者的通信是雙向的,發送設備與數據處理模塊相連,與數據處理模塊集成在同一塊電路板上,實現數據的無線發送工作;接收設備與上位機終端相連,實現將接收到的數據傳輸給上位機終端[6]。本系統采取GPRS作為通信網絡,采用SIM900A芯片來充當通信模塊,該模塊同時支持GSM/GPRS兩種頻率(900 MHz/1 800 MHz)雙模通信,并通過TCP/IP協議將數據實時發送到顯示終端。以單個數據采集模塊為例,數據經數據采集模塊采集后,通過GPRS無線網絡和Internet進行傳輸,最終到達數據采集服務器終端[7]。原理圖如圖4所示。

圖4 遠程數據采集實現原理圖

3 軟件設計

圖5 軟件工作流程圖

系統軟件的設計是整個檢測系統的核心部分,射手動作檢測系統硬件的驅動控制以及計算機與數據采集模塊之間的數據傳送和處理分析都是通過軟件編程實現的[8]。本設計采用μCOS-Ⅲ操作系統。它是一個代碼完全開放的實時操作系統,可移植性強、實時性能好。其內核對象結構完善,各內核對象都內置時間戳變量,使任務進行與實時行相關的調試更加便捷,任務內建消息隊列后,中斷程序可以直接發送給任務而不通過消息隊列,這在信號采集中能夠大大提高實時處理能力,從而提高整個系統的效率。采用VC++編寫系統軟件實現上述系統功能。系統軟件的流程如圖5所示,系統軟件設計包括兩個部分:檢測部分的程序處理和后臺射手動作判斷應用程序的開發。兩部分相互配合工作才能完成完整的動作檢測及判定。

檢測部分的程序主要包括主程序、初始化程序、I2C軟件模擬驅動程序、單總線驅動程序、定時讀取ADS1115程序和數據處理等程序[9]。后臺射手動作判斷應用程序包括接收無線模塊發送過來的數據以及射手成績評定系統界面的設計,并在這其中進行算法設計,對接收的數據進行分析處理,完成動作判斷與成績判定。

4 系統性能測試及結果分析

測試平臺由裝有慣性傳感器的實裝模擬射擊槍和計算機構成。傳感器的安裝位置如圖6所示。

圖6 傳感器安裝位置圖

射手持槍并啟動開關后,系統進入工作模式,采集射手持槍各部分的壓力信號和角度傾斜信號并發送到計算機上。由于本設計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以波形圖的形式顯示在上位機上[10]。當測試系統啟動后,各模塊采集到的數據隨時間的變化如圖所示。

圖7 壓力曲線界面

圖8 傾角曲線界面

由變化曲線可得出,伴隨時間的變化,射手基本動作也在改變。槍擊位置后側的壓力增加表明射手正在扣扳機進行射擊,槍身晃動增加,各部分壓力也隨之增加,特別是射手肩窩部分的壓力。從結果可以看出,該裝置能夠檢測出射手射擊中的上肢基本動作,具有一定的使用價值。

5 結論

通過對射手在射擊過程中上肢動作行為的研究,設計的射手動作檢測裝置,采用微壓力傳感器和傾角傳感器感知射手各部分動作是否到位,通過對采集到的數據進行分析得出判斷結果,準確率較高。同時配合激光發射裝置以及多功能顯示靶等裝置對不同射手的射擊成績、所用時間、彈著點位置等要素按不同射擊訓練類別進行處理分析后,對射手進行綜合評定。該裝置在使用上也很方便,為部隊訓練、實戰演習等等領域提供了良好的訓練平臺。

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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