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一种自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端

申请号 CN202311658338.1 申请日 2023-12-05 公开(公告)号 CN117628978A 公开(公告)日 2024-03-01
申请人 北方信息控制研究院集团有限公司; 发明人 陈越; 洪婷; 刘沾沾; 侯磊; 黄杰; 郭聪聪; 曹伟; 邵永贵; 庄相如; 谢毛毛; 阮金金; 张小祥; 韩昊亮; 林巍; 尤勇; 李明阳; 郭勇;
摘要 本发明公开了一种自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,包括控制主机、车载数据终端、曲面激光接收探头组、测向测角设备、直瞄发射机;曲面激光接收探头用于接收四周射入的打击方模拟火炮的编码激光,并将打击数据传输给控制主机进行毁伤计算;测向测角设备用于采集火炮的射向射角数据;直瞄发射机用于模拟直瞄武器发射编码激光;控制主机通过CAN火控总线连接实装火控装置并采集射向射角等数据,在不发射实装弹药的情况下模拟计算出打击距离、弹丸飞行时间、落单散布等数据。本发明可为作战试验系统模拟战场毁伤效能精准评估提供可靠保障。
权利要求

1.一种自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,包括控制主机、车载数据终端、曲面激光接收探头组、测向测角设备、直瞄发射机;

所述曲面激光接收探头,用于接收四周射入的打击方模拟火炮的编码激光,并将打击数据传输给控制主机进行毁伤计算;

所述测向测角设备,用于采集火炮的射向射角数据,支持射击诸元的自动采集和人工输入;

所述直瞄发射机,用于模拟直瞄武器发射编码激光;

所述控制主机,根据采集的火炮的射向射角数据,在不发射实装弹药的情况下模拟进行弹道自动解算;与曲面激光接收探头组、直瞄发射机的信息交互以及工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端的信息交互,接收直瞄发射机的编码激光,并完成解码;模拟火炮击发与被击中的效果;

所述车载数据终端与控制主机连接,与工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端、单兵武器模拟终端、爆炸物模拟终端、防毒面具模拟终端之间的信息交互,在需要救护时,与卫勤救护模拟终端进行信息交互;对于有人载具,由载具乘员持有操作,与控制主机连接,实现控制主机与综合导调系统、数据处理系统、信息显示系统的信息交互;对于无人载具,控制人员通过导调终端查看车载数据终端上传到服务器的载具姿态角度、侦察视频、位置信息、打击数据等相关信息;对于配备无人机的载具,车载数据终端能够查看无人机侦察视频,并回传至服务器,在导调终端和信息显示系统查看回传视频。

2.根据权利要求1所述的自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,所述控制主机包括塔式激光接收探头、命中效果模拟装置、主控板;

所述塔式激光接收探头组,用于接收直瞄发射机的编码激光,并完成解码;

所述命中效果模拟装置,集成有LED模组、扬声器模块和烟雾发射装置;LED模组通过不同灯光颜色组合模拟火炮击发与被火炮击中的光效果;扬声器模块用于模拟火炮击发与被击中的不同声音效果;集成有烟雾发射装置用于发射不同颜色烟雾模拟火炮击发与被击中的烟雾效果;

所述主控板用于控制主机与曲面激光接收探头组、直瞄发射机的信息交互以及工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端等模拟终端的信息交互。

3.根据权利要求1所述的自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,所述车载数据终端基于ZigBee自组网机制,采用强化学习算法在线学习,根据通信延时和组网节点调节ZigBee信号强度,当单兵装具模拟终端进入载具组网范围内,通过ZigBee自动关联单兵装具模拟终端上车,通过车载数据终端查看人员身份、武器类型、弹药、伤亡、通信、定位、供电状态与信息,模拟载具被打击后对内部人员及武器的杀伤效果;当通用模拟终端进入工事建筑物模拟终端组网范围内,通过ZigBee自动关联工事建筑物模拟终端,获取室内定位,并向工事建筑物模拟终端设备上传载具信息、武器类型、弹药、伤亡、通信、定位、供电状态。

4.根据权利要求3所述的自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,ZigBee自组网机制,采用强化学习算法在线优化模拟终端间组网信号强度,具体包括:将承载节点设置为协调器,将单兵节点设置为终端节点;协调器负责建立ZigBee网络,终端节点靠近协调器时发出入网请求,协调器根据网络资源情况决定是否允许终端节点入网;组网时,协调器节点与终端节点互联嵌套,实现战场信息的互联互通;上级节点将受到的战场行为传递给下级节点;

采用Sarsa算法在线修正Zigbee信号强度,设置初始的ZigBee信号强度和系统容许通信延时△tacc;将系统实际最大通信延时max△treal从小到大划分为多个状态集Si;将Zigbee信号强度设置不同的数值P,对应Sarsa算法中需要优化的动作A;将动作A的区间根据Zigbee信号强度大小划分多个动作集合;根据ε‑greedy策略选择动作A,即以ε的概率按照Q表中当前状态下最大Q值的动作A行动,保证全局收益最大;以1‑ε的概率随机行动,避免陷入局部最优;

选择动作后,计算当前时刻奖励Rt,并根据更新公式更新Q值表;奖励Rt设置为:

Rt=(max△treal)t‑(max△treal)t+1

若组网各模拟终端中当前时刻t最大实际通信延时(max△treal)t较上一个状态下的实际通信延时减小,则Rt为正向奖励,反之则为负向奖励;

设置初始的ZigBee信号强度和系统容许通信延时△tacc;检测到终端设备发送信息msend后,启动定时器;在△tacc内,若节点收到信息应答mres,表明信息发送成功,通信状态良好;

减小△tacc,令△tacc=max△treal,并计算此次实际通信延时;若未收到信息应答mres,表明通信状态差,则以设定时间为间隔增大tacc,并且重复发送信息msend,直至收到消息应答mres。

5.根据权利要求2所述的的自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,所述主控板集成了北斗定位模块、ZigBee模块1、红外通信模块、室内定位模块。

6.根据权利要求5所述的的自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,ZigBee模块1用于在通用模拟终端已经遭遇打击并毁伤后,向工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端、其它通用模拟终端传输毁伤信息。

7.根据权利要求1所述的的自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,所述车载数据终端,通过CAN转USB与控制主机连接,集成有5.8GHz图传模块、ZigBee模块2、蓝牙模块、4G/5G通信模块。

8.根据权利要求7所述的的自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,ZigBee模块2用于关联工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端、单兵携行装备模拟终端、爆炸物模拟终端、防毒面具模拟终端。

9.根据权利要求1所述的的自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,其特征在于,所述曲面激光接收探头组的外壳采用可聚光的曲面结构与透光材料,将四周射入的编码激光汇聚到中心位置,通过ZigBee与控制主机通信,用来接收打击方模拟火炮的激光,并将打击数据传输给控制主机。

说明书全文

一种自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端

技术领域

[0001] 本发明涉及作战试验领域,具体涉及一种自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端。

背景技术

[0002] 在传统作战试验中,载具模拟终端不具有通用性,对于无人载具模拟终端以及“有人/无人可转化”载具模拟终端的探索相对较少;多个模拟终端之间进行组网互联运用时,信号强度是固定不变的,难以适应通信距离、干扰等因素影响,在一定程度上影响模拟终端间连接的稳定性,而工程上目前尚无根据实时环境变化情况来灵活调整组网信号强度的方法。因此,目前需要一种基于有人/无人地面载具的自适应组网通用载具模拟终端,能根据不同实装载具灵活选用模块化通用部件,并能根据环境自适应确定Zigbee信号强度,保持连接稳定。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于提供一种自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,以解决不同载具需要设计不同模拟终端以及各模拟终端间组网连接不稳定的问题,为作战试验系统模拟战场毁伤效能精准评估提供可靠保障。
[0004] 实现本发明目的的技术解决方案为:
[0005] 一种自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,包括控制主机、车载数据终端、曲面激光接收探头组、测向测角设备、直瞄发射机;
[0006] 所述曲面激光接收探头,用于接收四周射入的打击方模拟火炮的编码激光,并将打击数据传输给控制主机进行毁伤计算;
[0007] 所述测向测角设备,用于采集火炮的射向射角数据,支持射击诸元的自动采集和人工输入;
[0008] 所述直瞄发射机,用于模拟直瞄武器发射编码激光;
[0009] 所述控制主机,根据采集的火炮的射向射角数据,在不发射实装弹药的情况下模拟进行弹道自动解算;与曲面激光接收探头组、直瞄发射机的信息交互以及工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端的信息交互,接收直瞄发射机的编码激光,并完成解码;模拟火炮击发与被击中的效果;
[0010] 所述车载数据终端与控制主机连接,与工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端、单兵武器模拟终端、爆炸物模拟终端、防毒面具模拟终端之间的信息交互,在需要救护时,与卫勤救护模拟终端进行信息交互;对于有人载具,由载具乘员持有操作,与控制主机连接,实现控制主机与综合导调系统、数据处理系统、信息显示系统的信息交互;对于无人载具,控制人员通过导调终端查看车载数据终端上传到服务器的载具姿态角度、侦察视频、位置信息、打击数据等相关信息;对于配备无人机的载具,车载数据终端能够查看无人机侦察视频,并回传至服务器,在导调终端和信息显示系统查看回传视频。
[0011] 本发明与现有技术相比,其显著优点是:
[0012] (1)采用模块化架构和通用化设计,对于具备火炮打击能力的载具可以安装测向测角设备;对于无人载具,控制人员可通过导调终端查看车载数据终端上传到服务器的载具姿态角度、侦察视频、位置信息、打击数据等相关信息;对于配备无人机的载具,车载数据终端可以采用5.8GHz查看无人机侦察视频,并回传至服务器,在导调终端和信息显示系统查看回传视频。
[0013] (2)不仅能适配传统的有人载具和无人载具,也能够适配新式的“有人/无人可转化”的载具,这种新式“有人/无人可转化”载具正常情况下由乘员组驾驶,可使用通用模拟终端的“有人载具”模式;在高危作战情况下,乘员组可下车通过实装操控终端来远程遥控载具开展情报侦察和火力打击等作战行动,可使用通用模拟终端的“无人载具”模式。
[0014] (3)车载数据终端基于ZigBee自组网互联嵌套机制,采用学习算法(Sarsa算法)在线优化,根据通信延时和组网节点调节ZigBee信号强度,使其能够在不同地形和干扰下能够自适应调节,保证稳定可靠的通信;支持多型有人/无人模拟终端通过自组网进行信息交互,提高了作战试验对抗系统的可扩展性。
[0015] (4)能够自动关联单兵装具模拟终端上车,通过车载数据终端查看人员身份、武器类型、弹药、伤亡、通信、定位等状态与信息,模拟载具被打击后对内部人员及武器的连带杀伤效果;能够自动关联工事建筑物模拟终端,通过室内定位模块获取室内定位,并向工事建筑物模拟终端上传载具信息、武器类型、弹药、伤亡、通信、定位等状态与信息。
[0016] (5)能够根据载具不同外形及大小差异选择不同的曲面激光接收探头数量,通过软件自定义组网,将配置参数通过ZigBee同步至控制主机。对于步战车、坦克等载具可采用前后各3个、左右各2个的典型配置。
[0017] (6)曲面激光接收探头外壳采用可聚光的曲面结构与透光材料,将四周射入的编码激光汇聚到中心位置,仅采用一个激光接收模组,便可接收所有方向射入的编码激光。

附图说明

[0018] 图1为本发明的整体结构框架图。
[0019] 图2为本发明的控制主机原理图。
[0020] 图3为本发明的车载数据终端原理图。
[0021] 图4描述了系统组网流程。
[0022] 图5描述了子节点加入网络的流程。
[0023] 图6描述了组网信号强度自适应调整的工作流程。

具体实施方式

[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0025] 以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。
[0026] 本实施例的一种自适应组网的有人/无人地面载具通用模拟终端,包括控制主机、车载数据终端、曲面激光接收探头组、测向测角设备、直瞄发射机。
[0027] 所述控制主机是通用模拟终端的信息处理中心,负责数据存储、激光接收、毁伤处理等功能的实现,是整个系统的中央处理部件,由塔式激光接收探头、命中效果模拟装置、主控板等组成;可以通过CAN火控总线连接实装火控装置测向测角设备以采集射向射角等数据,在不发射实装弹药的情况下模拟计算出打击距离、弹丸飞行时间、落单散布等数据;
[0028] 所述塔式激光接收探头组在不同方向面上集成了8个激光接收探头,用于接收编码激光,并完成解码;
[0029] 所述命中效果模拟装置,集成有LED模组可通过不同灯光颜色组合模拟火炮击发与被火炮击中的光效果;集成有扬声器模块,可以模拟火炮击发与被击中的不同声音效果;集成有烟雾发射装置,可以发射不同颜色烟雾模拟火炮击发与被击中的烟雾效果;
[0030] 所述主控板集成了北斗定位模块(集成RTK模块)、ZigBee模块1、红外通信模块、室内定位模块,实现短距无线通信功能;用于控制主机与曲面激光接收探头组、直瞄发射机的信息交互以及外部终端:工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端等模拟终端的信息交互。
[0031] 所述车载数据终端,通过CAN转USB与控制主机连接,集成有5.8GHz图传模块、ZigBee模块2、蓝牙模块、4G/5G通信模块,安装有基于安卓系统开发的终端设备管理软件,支持连接服务器端进行系统、软件升级;其中ZigBee模块2用于通用模拟终端与其他模拟终端:工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端、单兵武器模拟终端、爆炸物模拟终端、防毒面具模拟终端之间的信息交互和互联嵌套;4G/5G通信模块用于通用模拟终端在需要救护时,与卫勤救护模拟终端进行信息交互;
[0032] 所述车载数据终端对于有人载具,由载具乘员持有操作,通过CAN转USB与控制主机连接,实现控制主机与综合导调系统、数据处理系统、信息显示系统的信息交互;对于无人载具,控制人员可通过导调终端查看车载数据终端上传到服务器的载具姿态角度、侦察视频、位置信息、打击数据等相关信息;对于配备无人机的载具,车载数据终端可以采用5.8GHz查看无人机侦察视频,并回传至服务器,在导调终端和信息显示系统查看回传视频;
[0033] 所述车载数据终端基于ZigBee自组网机制,采用强化学习算法(Sarsa算法)在线优化,根据通信延时和组网节点调节ZigBee信号强度,使得在不同环境和干扰下能够自适应调节,保证稳定可靠的通信。当单兵装具模拟终端进入载具组网范围内,可以通过ZigBee自动关联单兵装具模拟终端上车,通过车载数据终端查看人员身份、武器类型、弹药、伤亡、通信、定位、供电等状态与信息,模拟载具被打击后对内部人员及武器的杀伤效果(也称作连带毁伤技术);当通用模拟终端进入工事建筑物模拟终端组网范围内,可以通过ZigBee自动关联工事建筑物模拟终端,通过室内定位模块获取室内定位,并向工事建筑物模拟终端设备上传载具信息、武器类型、弹药、伤亡、通信、定位、供电等状态与信息;
[0034] 所述车载数据终端集成的ZigBee模块2与主控板集成的ZigBee模块1,区别在于:ZigBee模块2用于关联工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端、单兵携行装备模拟终端、爆炸物模拟终端、防毒面具模拟终端,ZigBee模块1用于在通用模拟终端已经遭遇打击并毁伤后,向工事建筑物模拟终端、单兵装具模拟终端、其它通用模拟终端等传输毁伤信息,实现连带毁伤技术;
[0035] 所述曲面激光接收探头组由若干个曲面激光接收探头组成,可根据载具不同需求及大小差异选择不同的曲面激光接收探头数量,通过自定义组网,将配置参数通过ZigBee同步至控制主机,采用磁钢吸附和围带捆绑相结合的方式,固定在载具的相应位置。对于步战车、坦克等载具可采用前后各3个、左右各2个的典型配置;
[0036] 所述曲面激光接收探头外壳采用可聚光的曲面结构与透光材料,将四周射入的编码激光汇聚到中心位置,仅采用一个激光接收模组,便可接收所有方向射入的编码激光;通过ZigBee与控制主机通信,用来接收打击方模拟火炮的激光,并将打击数据传输给控制主机进行毁伤计算。
[0037] 所述测向测角设备分为主测向测角和从测向测角,通过RS232串口线与控制主机连接,采用绑带与卡具相结合的方式固定在炮管的前后两端,能够通过差分计算自动采集火炮的射向射角数据,支持弹药、药温等射击诸元的自动采集和人工输入,控制主机可以根据火炮种类和弹药类型实现弹道自动解算;
[0038] 所述直瞄发射机通过ZigBee与控制主机连接,适用于模拟直瞄武器发射编码激光,通过其集成的强光指示灯闪烁来模拟发射效果。
[0039] 下面通过3个主要组成模块详细介绍基于强化学习算法(Sarsa算法)在线优化模拟终端间自适应组网的具体实现方式:
[0040] (1)Zigbee硬件模块
[0041] Zigbee硬件模块集成在安卓数据终端中,用于低功耗无线通信。
[0042] S1:在作战试验系统中,将承载节点设置为协调器,如车辆、战场工事等;将单兵节点设置为终端节点。
[0043] S2:协调器负责建立ZIGBEE网络,终端节点靠近协调器时发出入网请求,协调器根据网络资源情况决定是否允许终端节点入网。
[0044] S3:组网时,协调器节点与终端节点互联嵌套,实现战场信息的互联互通。上级节点能够及时将其受到的战场行为传递给下级节点。
[0045] (2)强化学习在线学习模块
[0046] 采用Sarsa算法在线修正Zigbee信号强度,Sarsa(state‑action‑reward‑state’‑action’)算法是强化学习中一种在线学习的时序差分方法。在不事先了解外部环境的前提下,能够根据智能体与环境的交互来学习环境,智能体采用ε‑greedy策略来训练,有一定的概率随机选择动作增加探索空间,避免陷入局部最优的情况。Sarsa算法是一种基于Q表格的强化学习算法,表格以状态空间s1...si为列,以动作空间a1...ai为行。Q表格中存储的值为Q值,表示在当前时刻t状态St时执行动作At后得到的总收益,通过智能体与环境的交互得到的来更新Q值,更新公式如下:
[0047] Q(St,At)=Q(St,At)+α[Rt+1+γQ(St+1,At+1)‑Q(St,At)]
[0048] 式中,Rt+1为下一时刻t+1执行动作A后的奖励,α表示智能体的学习率,取值为0到1之间;γ为折扣率,取值为0到1之间。
[0049] Sarsa算法采用了on‑policy的在线迭代策略,即先做出动作再更新Q值。相较于离线学习,在线学习的算法更为保守,对应地优化得出的参数更安全。
[0050] S1:设定初始训练数据终端间容许通信延时△tacc=30ms、Zigbee信号强度P=5dbm;
[0051] S2:组网各模拟终端中最大实际通信延时max△treal能反映组网的通信效果,max△treal越小表示通信效果越好,max△treal越大则表示通信效果越差,因此根据max△treal数值大小划分通信状态集合,可划分为6个子集Si,每个子集表示系统不同的通信状态,Si取值如下表所示:
[0052] 表1状态集划分
[0053]状态集S △t
S1 [0,20)
S2 [20,40)
S3 [40,60)
S4 [60,80)
S5 [80,100)
S6 [100,+∞)
[0054] S3:Zigbee信号强度需要根据环境变化设置不同的数值P,对应Sarsa算法中需要优化的动作A。可将动作A的区间根据Zigbee信号强度大小划分为5个动作集合Ai。Ai取值如下表所示:
[0055] 表2状态集划分
[0056]
[0057]
[0058] S4:根据ε‑greedy策略选择动作A,即以ε的概率按照Q表中当前状态下最大Q值的动作A行动,保证全局收益最大;以1‑ε的概率随机行动,避免陷入局部最优。
[0059] S5:选择动作后,计算当前时刻奖励Rt,并根据更新公式更新Q值表。奖励Rt设置为:
[0060] Rt=(max△treal)t‑(max△treal)t+1
[0061] 当智能体采取动作A后,若组网各模拟终端中当前时刻t最大实际通信延时(max△treal)t较上一个状态下的实际通信延时减小,则Rt为正向奖励,反之则为负向奖励;奖励的设置驱动智能体选择使得max△treal减小的动作。
[0062] S5:重复步骤1,2,3,4。
[0063] (3)Zigbee自适应调节模块
[0064] S1:设定初始训练数据终端间容许通信延时△tacc=30ms、Zigbee信号强度P=5dbm;
[0065] S2:检测到设备发送信息后,启动定时器;
[0066] S3:在△tacc内,若节点收到所有模拟终端的信息应答mres,表明信息发送成功,通信状态良好;计算信息发送和最晚信息应答间的时间差,记为max△treal(表示此次通信的最大延时),并且,令△tacc=max△treal;
[0067] S4:若未收到所有模拟终端的信息应答mres,则以5ms为间隔增大△tacc,并且重复发送该消息,直至收到所有模拟终端的消息应答mres;
[0068] S5:以max△treal为系统状态量,利用(2)所述强化学习在线学习模块中维护的Q值表选取最佳Zigbee信号强度。
[0069] S 6:重复步骤2、3、4、5。
[0070] 上述弹道解算、计算打击距离、弹丸飞行时间、落单散布以及毁伤计算及激光解码过程属于本领域常规技术手段,并非本发明的改进点。
[0071] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。