基于單兵智能武器系統的可穿戴裝備發展趨勢與設計構思

王爽英，康雋睿，周玉清

(中國兵器工業第203研究所， 西安 710065)

【系統工程、測量與控制】

基于單兵智能武器系統的可穿戴裝備發展趨勢與設計構思

王爽英，康雋睿，周玉清

(中國兵器工業第203研究所， 西安 710065)

主要介紹可穿戴裝備的發展現狀，結合單兵智能武器系統特點，對單兵可穿戴裝備的需求進行分析，重點闡述可穿戴裝備人機融合方面的研究目標和內容，指出關鍵技術和解決途徑，對開展可穿戴裝備人機融合設計具有借鑒意義。

可穿戴裝備；人機融合；單兵武器；智能武器系統

隨著科學技術的發展，穿戴式設備、感知計算等技術發展日益白熱化，人類和機器之間不斷相互作用、發展演進，技術和機器對人類的價值日益凸顯：從跑步健身手環到健康監測設備；從智能手機到智能手表；從谷歌眼鏡到VR虛擬眼鏡，可穿戴式設備產品已改變生活方式，并影響到諸多行業[1]。

在智能化彈藥領域，盡管各種高技術武器平臺和先進的技術軍種裝備迅猛發展，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，在地面戰爭、反恐城市戰爭中士兵仍然扮演重要角色。現階段很多國家都極為重視單兵裝備的高度集成技術研究。將穿戴式設備的研發應用到單兵武器裝備方向，進行人機結合設計，必將與現代戰爭的未來發展契機相融合。

1 國內外發展現狀

現階段各國已經開展了相關產品的研究：

英國防務科技實驗所于2016年9月展示了一個整合多項傳感器的可穿戴系統，幫助士兵在狀況復雜的城區沖突地帶更快速、清晰地掌握戰場整體環境。系統預計2020年后可裝備軍隊。這套系統包括激光、視覺導航等傳感器以及小型高清攝像頭，各子系統能輕松裝配在士兵的頭盔、手臂以及槍械上，從而為他們提供戰場導航并自動偵測外部威脅。系統還能讓士兵隨時分享戰場信息，大大提高戰場感知能力[2]。

MBDA歐洲防務公司，提出了新概念武器—單兵低附帶毀傷導彈，該種導彈采用火箭發動機推進，GNSS制導，并攜帶多用途戰斗部。該導彈操控系統采用可穿戴技術，設計輕巧方便。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系統設計始于1994年，采用大量的電子元件, 配置了全解算火控系統, 穿戴式裝備包括激光測距儀、彈道計算機、攝像機、直瞄式光學瞄具、環境傳感器、電子羅盤、目標跟蹤裝置、熱成像組件和可選擇性激光指示器[3]。

穿戴式裝備系統作為未來戰士設計的一部分，近年來，多個國家相繼在研發其相關技術，但由于成本和實用性的問題，目前這類整合系統很少真正全面裝備部隊[2]。

從上述系統的研發狀態看，各國在單兵裝備的總目標是一致的，即：負載重量輕、視距更遠、防護更好、反應更快、環境適應能力和作戰能力更強等；這與2020年以后未來陸軍發展的主戰裝備之一理想單兵武器(OICW)的發展方向一致，并體現其網絡化、信息化和智能化的特點[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人機融合，以此提升士兵在戰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，是一個有難度但是具有重大意義的設計工作。

2 單兵智能武器概述

2.1 單兵智能化武器

目前，根據國際形勢變化和武器裝備發展趨勢，按照我軍武器裝備現代化建設的新要求，需要不斷更新換代、體系化、信息化、自動化程度大大提高。單兵偵察和戰斗武器系統需要進行多樣化系列化改進，在智能化彈藥的單兵裝備中，將單兵作戰單元與武器系統結合，必然會提升裝備能力。

在單兵智能裝備中人在控制回路，作戰人員工作主要有：

1) 完成武器系統轉移、攜行、發射準備；

2) 操控飛行彈藥飛行航跡和精準瞄準目標，例如適合單兵裝置的武器有低附帶損傷導彈、圖像制導反坦克導彈、單兵巡飛偵察導彈等等。作戰人員頭手眼配合協調將對武器系統的成功應用起到決定性作用；

3) 實時處理作戰單元在信息化戰場的態勢信息，包括接收上級命令和目標信息、戰斗單元間信息交互、火力分配、陣地配置和戰斗效果上報等，支持北斗定位、超短波近距通訊和無線自組網；

因此如何滿足理想單兵武器系統要求重量輕，士兵攜行方便、信息融合實時有效以及精確打擊是人在回路的單兵智能化彈藥研發的技術重點。解決上述問題，穿戴式人機融合智能跟蹤技術無疑將是未來單兵裝備的一個新發展方向。開展該項技術的研究會使單兵武器裝備信息化、一體化和自動化程度大大提高，對優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、人機信息融合等幾個技術方面進行研究和突破，技術突破后可穿戴技術的應用將從頂層設計層面解決單兵裝備系統與智能武器設計融合，可完善目標隨動跟蹤等技術問題，通過人體生物特點和規律彌補各種智能化彈藥產品在重量、跟蹤精度等方面的不足，可穿戴裝備與智能化單兵武器進行一體化系統設計，從各個技術環節進行突破。

舉例說明：現階段人在回路的反坦克導彈系統由射手搜索和跟蹤目標。搜索目標時，射手操縱單桿，通過瞄準鏡或熱瞄具搜索目標。發現目標后，將單桿置于跟蹤狀態，操縱單桿，對目標進行精確跟蹤，使瞄準鏡的十字線壓在目標上，形成引導導彈飛向目標的導引基準，直至導彈命中目標。如果采用具有人機融合智能隨動跟蹤技術的穿戴式產品裝備武器系統，可取代或完善單桿操作，將能夠使瞄準和搜索目標精度大大提高。

3 可穿戴裝備設計

3.1 設計目標

針對智能化彈藥的單兵裝備，設計人在控制回路過程中，采用穿戴式人機融合方式通過視覺和隨身運動和位置傳感器完成人機數據融合形成數據信息提供給單兵裝備，以此完成導彈飛行優化控制和目標準確定位跟蹤，以此提高全系統的自動化操控水平和武器系統的瞄準精度。控制簡化模型見圖2。

圖2 控制簡化模型

設計用于智能化彈藥的可穿戴裝備，需要具備傳感器采集、數據融合處理、信息綜合顯示和表達等設備構成，因此作者認為可穿戴裝備系統基本組成見圖3。

圖3 系統設備組成圖

可穿戴人機融合系統工作原理如下：射手通過頭盔的綜合顯示裝置獲知態勢信息以及攻擊目標信息，智能頭盔的眼動采集跟蹤裝置將在射手進行目標搜索操作時，通過微型攝像機進行眼球運動位置的圖像采集，與頭部移動和肩部運動位置信息進行融合處理，獲得目標的運動特征，射手結合該武器系統紅外導引頭傳來的目標圖像信息進行搜索跟蹤，當射手確定目標后，移動身體或眼球跟蹤目標后，系統可獲取信息，處理成目標信息給彈上火控系統判斷決策，射手發射導彈后，通過臂掛信息與控制顯示器根據無線或有線鏈路傳輸的彈上信息可以獲取導彈狀態信息或圖像信息，根據實際情況進行操作控制。

3.2 技術方向

根據設計目標，該系統的設計將從以下幾個方面開展：

3.2.1 人機融合跟蹤技術應用

射手操控單兵導彈武器系統需要頭手眼和姿態配合，完成電視/紅外目標圖像的搜索與跟蹤，直至導彈順利擊中目標。因此導彈武器系統的射手在其瞄準目標過程中，需要研究以下內容：

1) 單兵導彈武器系統的瞄準精度與射手生理特性關系，主要研究眼球跟蹤運動參數，將視線跟蹤技術應用到該系統中；

2) 身體支持軟發射過程中，各受力部位產生的搖擺和晃動給導彈系統初始彈道帶來的影響，包括對目標的跟蹤過程的影響；

3) 外部環境變化(氣壓、氣溫、風速)對射手生理條件的影響是否會對導彈發射和目標搜索產生相應的影響。

通過對上述關系的研究，得到的研究結論，對人機信息融合處理將起到關鍵性的作用。

3.2.2 單兵智能綜合頭盔系統

導彈部隊的單兵頭盔的作用應不再僅是防護頭部功能，而會將多種智能化綜合技術應用其中，輔助士兵更好的執行各項任務。頭盔上安裝的設備，包括綜合顯示系統、眼動采集跟蹤裝置、無線電通信定位裝置以及加速度和陀螺儀傳感器，通過這些設備射手可以知悉上級任務；導彈武器系統可獲取眼線跟蹤參數，從而提高瞄準的精度；單兵位置信息上報給信息化指揮官，可以進行優化指揮決策。

隨著微電子技術的發展，能夠融合各種裝置及傳感器的輕型智能頭盔系統必將會未來不久的時候產生。

3.2.3 輔助配套相關產品設計

有資料顯示美軍的作戰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，使計算機和通信等技術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直接聯系起來。在可穿戴式智能人機融合系統中，電子裝備將直接縫制或編制到織物里，例如：軍服內設備的連接線纜和電源，以及保證武器系統發射環境的測量傳感器件，包括溫度傳感器、風速傳感器、姿態傳感器、身體位置傳感器。[5][6]外部環境傳感器和身體位置傳感器可以提供給人機融合微處理計算機，提供火控計算機判斷發射條件情況，并作為智能化彈藥的初始數據信息，根據身體位置姿態(臥姿、跪姿、站姿)進行識別，由人機融合微處理計算機結合進行相應的計算處理，獲得最好的發射績效；

單兵武器系統電池通常是設計者考慮的重要裝備，除了電池待機時間長，重量輕體積小意外會遇到野外實戰中，作戰距離遠時間長引發的電源能力不足。如何解決此問題項目研究范圍還將考慮軍服織物內設計感應充電板，設計在裝甲運兵車內設置無線充電電源，在運兵途中進行電量補充。此外太陽能和生物運動能轉換電能裝備都可考慮到系統中來。

4 關鍵技術及解決途徑

穿戴式人機融合系統與單兵智能化武器結合需要解決以下關鍵技術及解決途徑：

1) 數據提取問題：提取與智能化彈藥控制流程相關的人體生物信息，包括視線跟蹤數據、運動位置信息、環境狀態信息。通過數據提取，進行歸類整理，找出微小差異與提取和分析帶來巨大偏差的原因；

2) 數據解析問題：不同的制導系統對數據的需求采樣不同，人在回路中參與的程度不同，需要使用數據驅動進行數據模型的完善，正確解析射手的生理數據參與智能化彈藥控制回路，以及正確解析智能化彈藥狀態數據簡單直接到射手的感官將是一件相對困難的工作，可通過大量數據的采集，獲得生理數據與操控武器系統的關聯特征，尋找數據解析的方法；

3) 全系統設計精度和自由度問題。以硬件裝備為設計基礎軟件處理為核心的人機融合跟蹤技術，在設計精度上可以達到一個量化指標，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的影響范圍需要進一步確定，通過與實際產品試用和測試，考慮得到系統精度和自由度，經過多輪設計驗證，完成全系統的精度和自由度保證；

4) 可穿戴式裝備結合單兵智能化彈藥一體化設計，需要結合單兵智能化彈藥作戰需求進行分析。設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。項目的研究將采用人因工程的方法和測試進行評價[7]，對設計和研究過程將是一個重要的挑戰。

單兵武器裝備在實際作戰使用過程中，可穿戴設備要求在方便、簡單使用條件下提高其智能化、信息化程度使其在戰場上具有互通性，并且能夠提高武器系統精確打擊能力。開展上述技術的研究將需要依托于某型單兵武器系統進行改進，通過樣機的實現并與原武器裝備進行對接，試驗驗證可穿戴式設備研究的必要性。

5 結論

可穿戴式人機融合系統的研發涉及多個專業領域，根據文中論述，與單兵智能武器系統相結合是現代單兵武器系統發展的必然趨勢。雖然國內相關科研院所已有相關基礎技術的研究和試驗結論，但是真正形成與武器系統配套的可穿戴式人機融合系統實體在裝備科研方面仍是空白地帶，需要進行大量的基礎研發和科學測試。作者借此文進行拋磚引玉，希望能夠得到相應支持，將此研發繼續下去，直至形成產品，打造具有我軍特點的未來戰士裝備。

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

[2] 新華網，英國計劃用先進可穿戴感知系統裝備軍隊，2016-09-23.

[3] 清泉，單兵武器發展思路[J].應用光學，2006,27(5):422.

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

[5] 騰訊數碼，戰場神兵：軍用智能可穿戴設備，2015-03-21.

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

[7] 王爽英、蒲小平.在反坦克導彈武器操控系統設計中廣泛應用人因工程學理論[J].彈箭與制導學報，2016，36(5).

[8] 鄧威，張德彬，智能可穿戴設備軍事應用與發展趨勢[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的可穿戴裝備發展趨勢與設計構思[J].兵器裝備工程學報，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

(責任編輯唐定國)