基于信息融合的爆破投擲訓(xùn)練系統(tǒng)研究

李航，黃波,2，廖映華

（1.四川輕化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川宜賓，644000； 2.人工智能四川省重點實驗室，四川宜賓，644000）

0 引言

隨著軍事技術(shù)的不斷更新發(fā)展，真實模擬軍事訓(xùn)練對于軍隊?wèi)?zhàn)斗力的提升具有重要意義[1,2]。目前，國際形勢變化莫測，提高自身軍隊?wèi)?zhàn)斗力是軍隊發(fā)展的首要任務(wù)，但缺乏真實的訓(xùn)練環(huán)境不能使士兵取得較好的訓(xùn)練效果，因此軍事訓(xùn)練模擬技術(shù)對于提高真實訓(xùn)練環(huán)境具有重要的研究價值和意義[3,4]。軍事訓(xùn)練中爆破投擲訓(xùn)練作為每個士兵必須掌握的軍事技能，因此日常訓(xùn)練對爆破器材消耗量較高，所以為了讓士兵體驗真實環(huán)境往往采用的模擬爆破器材進(jìn)行訓(xùn)練，在成本、訓(xùn)練量、安全性上具有優(yōu)勢，但無法模擬真實的爆破狀況，因而無法達(dá)到理想的訓(xùn)練結(jié)果，所以利用模擬仿真系統(tǒng)對真實場景的營造成為軍事訓(xùn)練器材研究的熱點方向[5]。目前，針對軍事訓(xùn)練器材模擬仿真，國內(nèi)外學(xué)者做出來很多相關(guān)研究，例如，劉俊彥[6]等設(shè)計了一種針對82-2式爆破器材的簡易防爆罐，利用凱夫拉纖維、4340鋼、泡沫鋁完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用AUTODYN軟件建立數(shù)值仿真模型，對爆炸的沖擊波及沖擊響應(yīng)進(jìn)行分析仿真，結(jié)果表明通過模擬仿真實驗驗證了設(shè)計的有效性；王克選[7]等，簡化某型爆破器材模擬器模型，基于ANSYS軟件計算了該爆破器材模擬器從5m高度墜落時底部、外套、頂部和手柄等不同部位著地時的應(yīng)力狀態(tài)，為該模擬器設(shè)計定型提供分析數(shù)據(jù)，利用靜力分析模擬動態(tài)過程可以提高分析速度、降低輸入?yún)?shù)的要求；侯建強(qiáng)[8]等，通過靜態(tài)與動態(tài)的對比，得到動態(tài)條件下為武器系統(tǒng)評估提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對爆破過程產(chǎn)生的爆破碎片運動過程進(jìn)行建模仿真，分析雷達(dá)波束內(nèi)的動爆破片數(shù)量、速度、距離分析等特性，提供一種理論依據(jù)；李池[9]等模擬仿真火炮膛內(nèi)壓力環(huán)境變化關(guān)系，設(shè)計了一種新型火炮內(nèi)壓力模擬裝置，以經(jīng)典內(nèi)彈道理論為基礎(chǔ)，利用高低壓發(fā)射原理，建立分析模型，利用模型分析不同參數(shù)對膛壓載荷變化的影響，實驗分析可以有效模擬載荷關(guān)系；Yao[10]等，針對軍事訓(xùn)練器材進(jìn)行了廣泛的研究，利用現(xiàn)代仿真訓(xùn)練器通過多組平臺分析，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行針對性的調(diào)整，讓現(xiàn)代仿真技術(shù)更加貼近實際環(huán)境；王勇[11]等，提出利用VR技術(shù)實現(xiàn)手榴彈投擲的虛擬仿真訓(xùn)練，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)場環(huán)境實現(xiàn)環(huán)境感知能力的提高，同時對于實戰(zhàn)化的訓(xùn)練具有重要意義，但是由于虛擬技術(shù)在體驗感上還無法做到全感體驗，所以對于整體感悟還需要提高；朱良學(xué)[12]等，針對爆破器材在訓(xùn)練中出現(xiàn)不安全、需求大、成本高等問題，設(shè)計了一種模擬電子爆破器材，通過模擬真實爆破器材的聲光電等特征，實現(xiàn)真實環(huán)境下的投擲體驗，達(dá)到投擲訓(xùn)練的效果，取得了一種較好的訓(xùn)練效果；張孝杰[13]等，分析當(dāng)前手榴彈投擲訓(xùn)練中出現(xiàn)的問題，提出基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)、N-vision平臺、3D Max以及JACK建立投擲場景，通過記錄優(yōu)秀的投擲數(shù)據(jù)，分析指導(dǎo)投擲動作，為訓(xùn)練過程提供更加智能化的訓(xùn)練技術(shù)。因此，當(dāng)前對于爆破裝置爆破訓(xùn)練的研究主要結(jié)合新型技術(shù)，對爆炸過后產(chǎn)生的爆破效果進(jìn)行分析模擬，并分析真實條件下爆破環(huán)境而產(chǎn)生的聲光電等效果，但隨著訓(xùn)練投擲數(shù)量的增加，對此產(chǎn)生的訓(xùn)練數(shù)據(jù)無法有效地利用，所以該方向也是模擬訓(xùn)練技術(shù)需要改進(jìn)的關(guān)鍵點，同時也是研究的熱點。因此將訓(xùn)練爆破器材結(jié)合新型傳感技術(shù)獲取有效訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并作為訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的參考數(shù)據(jù)，為模擬訓(xùn)練提供科學(xué)的訓(xùn)練指導(dǎo)。

綜上分析，為提高模擬訓(xùn)練效果，更加真實的模擬爆破器材爆破投擲環(huán)境，結(jié)合多種傳感器獲取投擲訓(xùn)練數(shù)據(jù)，利用智能仿真模塊實現(xiàn)聲光電爆破效果，通過無線通訊模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，根據(jù)中央處理控制器分析處理多傳感器獲取的運動數(shù)據(jù)，進(jìn)而保證訓(xùn)練數(shù)據(jù)的實時性和準(zhǔn)確性，利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析可以對訓(xùn)練效果進(jìn)行總結(jié)，調(diào)節(jié)訓(xùn)練投擲姿態(tài)達(dá)到最佳優(yōu)化狀態(tài)，所以針對模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)獲取不準(zhǔn)確、實時性不高、數(shù)據(jù)單一的穩(wěn)態(tài)，本文采用基于多傳感器融合的爆破器材投擲仿真系統(tǒng)作為主要研究內(nèi)容，從而解決模擬訓(xùn)練中出現(xiàn)的問題。

1 仿真系統(tǒng)模型分析

爆破器材投擲仿真訓(xùn)練系統(tǒng)通過模擬真實環(huán)境下的投擲狀態(tài)，將訓(xùn)練爆破器材和多傳感技術(shù)進(jìn)行融合，從而獲得訓(xùn)練數(shù)據(jù)以及聲光電的仿真效果，通過建立仿真系統(tǒng)模型進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析，達(dá)到提高訓(xùn)練效果的目的。

1.1 仿真系統(tǒng)描述

多傳感器融合的爆破器材爆破仿真系統(tǒng)是將訓(xùn)練爆破器材的投擲過程進(jìn)行數(shù)字化處理，利用多傳感器融合系統(tǒng)收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)，分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)結(jié)果以此作為后期訓(xùn)練指導(dǎo)的參考依據(jù)。模擬仿真系統(tǒng)主要由數(shù)字化硬件系統(tǒng)、聲光電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析終端系統(tǒng)組成，通過系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系實現(xiàn)對訓(xùn)練爆破器材的數(shù)據(jù)分析和投擲軌跡的模擬。因此，基于多傳感器融合的爆破器材投擲仿真系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 總體系統(tǒng)設(shè)計

總體系統(tǒng)設(shè)計框圖通過訓(xùn)練爆破器材的內(nèi)嵌硬件電路作為運行基礎(chǔ)，獲取運動數(shù)據(jù)，然后利用無線通訊模塊將運動數(shù)據(jù)傳送到軟件設(shè)計平臺上，利用數(shù)據(jù)分析終端平臺進(jìn)行分析處理，利用多傳感器融合系統(tǒng)對傳感器的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到有效數(shù)據(jù)，并且指導(dǎo)投擲訓(xùn)練過程不斷調(diào)整優(yōu)化訓(xùn)練投擲姿態(tài)和軌跡，最終利用在終端平臺上的可視化處理功能，達(dá)到動態(tài)調(diào)整得有據(jù)可依的目的。

1.2 系統(tǒng)模型建立

多傳感器融合的爆破器材投擲仿真系統(tǒng)主要模擬真實的投擲訓(xùn)練過程，以訓(xùn)練爆破器材為運動參考中心轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的動態(tài)運行數(shù)據(jù)獲取點，利用多傳感器獲取訓(xùn)練爆破器材的多維度狀態(tài)數(shù)據(jù)值，然后在數(shù)據(jù)終端平臺上進(jìn)行計算分析，從而調(diào)整訓(xùn)練投擲效果，并且利用可視化界面讓訓(xùn)練人員對訓(xùn)練結(jié)果有直觀的理解，達(dá)到優(yōu)化投擲訓(xùn)練的目的。圖2為爆破器材投擲訓(xùn)練運動模型。

圖2 爆破器材投擲運動分析

仿真系統(tǒng)根據(jù)如圖2所示的訓(xùn)練模型可知，通過對訓(xùn)練爆破器材進(jìn)行編號，實現(xiàn)訓(xùn)練數(shù)據(jù)實時準(zhǔn)確記錄，分析投擲仿真系統(tǒng)的運行空間并以此建立全局三維空間坐標(biāo)系，訓(xùn)練爆破器材簡化為運動點并建立局部三軸坐標(biāo)系，其中i=1,2,3，…表示訓(xùn)練爆破器材投擲編號，對于第i顆訓(xùn)練爆破器材在全局三維空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為，最后利用訓(xùn)練爆破器材內(nèi)嵌式無線通訊模塊將運行數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)融合終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，并通過交互界面實現(xiàn)對訓(xùn)練投擲軌跡和狀態(tài)的實時顯示。

1.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

爆破器材投擲訓(xùn)練模型基于多傳感器的數(shù)據(jù)融合研究、控制電路軟硬件設(shè)計、無線通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)融合平臺分析終端等功能組合實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的研究，模擬仿真過程中需要對重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，保證系統(tǒng)模型仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，同時能夠更加真實地模擬爆破器材投擲過程，因此準(zhǔn)確的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定仿真運行，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

2 多傳感器融合系統(tǒng)分析

多傳感器融合系統(tǒng)利用多類型傳感器獲取訓(xùn)練爆破器材的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后對運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，通過訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)分析終端進(jìn)行狀態(tài)分析，提取穩(wěn)定、時效的可靠訓(xùn)練數(shù)據(jù)，所以利用多傳感器融合系統(tǒng)能夠應(yīng)對單一傳感器獲取傳感數(shù)據(jù)的差異性、波動性、準(zhǔn)確性，采用多傳感器能夠保證訓(xùn)練系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.1 融合系統(tǒng)原理

多傳感器融合系統(tǒng)的融合原理如圖3所示，首先融合系統(tǒng)利用n種不同類型的有源或者無源傳感器收集觀測目標(biāo)數(shù)據(jù)，對輸出數(shù)據(jù)提取特征數(shù)據(jù)采用特征矢量Yi表示，然后對特征矢量進(jìn)行模式識別，完成對目標(biāo)的說明，從而得到不同類型傳感器對目標(biāo)的說明數(shù)據(jù)，根據(jù)說明進(jìn)行目標(biāo)對象分類處理，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，利用多傳感器的數(shù)據(jù)融合算法實現(xiàn)不同傳感器對于目標(biāo)對象的統(tǒng)一描述[14]。

圖3 融合原理示意圖

2.2 融合系統(tǒng)框架設(shè)計

多傳感器的融合系統(tǒng)是基于不同類型傳感器的運行特點，利用基礎(chǔ)硬件電路保證基本功能運行，結(jié)合軟件系統(tǒng)對傳感器的獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運算并實現(xiàn)優(yōu)化，從而得到時效性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的融合數(shù)據(jù)。融合系統(tǒng)的基本框架原理是利用多通道傳輸并行獲取傳感數(shù)據(jù)，通過內(nèi)嵌式無線通訊模塊收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)，利用融合算法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的精確提取，從而保證仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定和真實，融合系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4 融合系統(tǒng)框架

由融合系統(tǒng)框架可知訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù)通過基本硬件電路設(shè)計和多傳感器融合算法的軟件優(yōu)化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合處理，根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)終端平臺分析基本融合數(shù)據(jù)，得到訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的融合狀態(tài)數(shù)據(jù)、融合軌跡信息、融合聲光電數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多傳感器融合系統(tǒng)時效性、穩(wěn)定性、可靠性的要求。

2.3 融合數(shù)據(jù)優(yōu)化

多傳感器融合系統(tǒng)中爆破器材投擲數(shù)據(jù)分析主要體現(xiàn)在訓(xùn)練爆破器材的投擲運動軌跡以及爆破器材聲光電響應(yīng)效果等方面，通過數(shù)字化終端平臺對獲取的傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，利用融合系統(tǒng)分析訓(xùn)練狀態(tài)，根據(jù)融合系統(tǒng)框架可知，多傳感器數(shù)據(jù)融合后可以得到融合狀態(tài)數(shù)據(jù)S、融合軌跡信息G、融合聲光電數(shù)據(jù)V，利用仿真系統(tǒng)中的交互界面可實現(xiàn)對所有運行狀態(tài)及運行軌跡的實時管理，也能夠?qū)崿F(xiàn)對訓(xùn)練人員投擲姿態(tài)的動態(tài)調(diào)整。

模擬仿真系統(tǒng)中由于存在干擾因素，所以融合系統(tǒng)處理后的信息數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)會存在偏差，通過估計和參數(shù)調(diào)整提高數(shù)據(jù)的真實性，由于本文的投擲訓(xùn)練數(shù)據(jù)具有重復(fù)性高、波動性小等特點，所以利用均方差分析法可以實現(xiàn)對融合數(shù)據(jù)的調(diào)整優(yōu)化，根據(jù)數(shù)據(jù)集建立數(shù)據(jù)分析模型如式(1)所示。

根據(jù)式(1)可知，ijX表示第i個訓(xùn)練爆破器材的第j個觀測傳感數(shù)據(jù)值，iμ表示第i個訓(xùn)練爆破器材的理論均值，ijε表示隨機(jī)誤差，σ表示誤差最大值，通過隨機(jī)誤差保證數(shù)據(jù)的動態(tài)處理過程。驗證運算數(shù)據(jù)的有效性，引入偏差平方和tS如式(2)所示，進(jìn)行數(shù)據(jù)差異判斷。

根據(jù)偏差平方和的數(shù)據(jù)分析，利用誤差平方和與效應(yīng)平方和進(jìn)行分析如式(3)所示，ES表示誤差平方和，AS表示效應(yīng)平方，表示平均傳感器誤差值，平均理論誤差值。

因此，通過分析AS可以衡量不同傳感數(shù)據(jù)之間的差異程度，利用ES可以得到所有融合數(shù)據(jù)誤差分析值，得到融合數(shù)據(jù)的差異關(guān)系。

3 系統(tǒng)融合算法設(shè)計

多傳感器融合系統(tǒng)利用不同傳感器獲取不同訓(xùn)練爆破器材運動數(shù)據(jù)，通過對目標(biāo)對象的統(tǒng)一描述實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理，從而得到可識別的動態(tài)數(shù)據(jù)。融合系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是利用融合算法實現(xiàn)對不同類型數(shù)據(jù)的融合，得到統(tǒng)一的目標(biāo)描述動態(tài)數(shù)據(jù)，最后通過爆破器材投擲狀態(tài)的實時調(diào)試，達(dá)到提高仿真系統(tǒng)效率提高的目的。

3.1 數(shù)據(jù)優(yōu)化分析

不同類型傳感器獲取的數(shù)據(jù)作為融合算法的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為能夠適應(yīng)復(fù)雜的訓(xùn)練環(huán)境需要具備抗干擾能力和穩(wěn)定性，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，才能符合融合數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性的要求。因此，根據(jù)融合系統(tǒng)設(shè)計要求以及對數(shù)據(jù)優(yōu)化處理的分析，本文采用S-G(Savitzky-Golay)濾波方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理[15]。

首先，將數(shù)據(jù)窗口寬度設(shè)為2d+1，d=1,2,…原始數(shù)據(jù)點的個數(shù)用d表示，利用擬合多項式將原始數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合如式(4)所示。

根據(jù)擬合多項式可得誤差平方和E，如式(5)所示。

再對式(5)進(jìn)行求導(dǎo)實現(xiàn)誤差的最小化處理，并簡化得到式(6)。

3.2 擴(kuò)展卡爾曼濾波融合算法（EKF）

擴(kuò)展卡爾曼濾波融合算法對非線性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分為兩個階段實現(xiàn)，分別是預(yù)測階段和校正階段。預(yù)測階段主要結(jié)合運動模型的運動狀態(tài)數(shù)據(jù)得到先驗估計值；校正階段主要利用校正公式計算得到后驗估計值。根據(jù)多傳感器的數(shù)據(jù)集采用離散化處理，通過對上一時刻狀態(tài)推導(dǎo)下時刻的估計先驗值從而形成非線性的狀態(tài)方程如式(8)所示。

通過多傳感器獲得訓(xùn)練爆破器材的運動軌跡數(shù)據(jù)，同時作為EKF中的觀測方程輸入數(shù)據(jù)，通過如式(9)所示。

對于誤差符合正態(tài)分布即為vk-1～N(0,R)表示測量過程中存在的測量噪聲，R表示測量值的協(xié)方差。由于系統(tǒng)是非線性系統(tǒng)，所以為計算方便需要轉(zhuǎn)換為線性系統(tǒng)，利用Taylor-Series轉(zhuǎn)換。因為系統(tǒng)存在誤差所以無法在實際點進(jìn)行線性化，所以在k-1時刻的后驗估計值上進(jìn)行線性化，即得式(10)：

由于wk-1未知，即令wk-1=0，即可令同時A和1kwkw-可通過表示雅可比矩陣即可表示為式(11)。

此時噪聲協(xié)方差Q則表示為即得系統(tǒng)狀態(tài)方程的線性化方程如式(12)所示。

測量方程的線性化，只需對系統(tǒng)先驗估計值進(jìn)行線性化，觀測方程需要在線性化的先驗估計值基礎(chǔ)上，計算得觀測方程線性化如式(13)。

此時觀測方程觀測量的協(xié)方差R，表示為vkVN～( 0,VRVT)，即觀測方程線性化表達(dá)式如式(15)所示。

通過對非線性系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程進(jìn)行線性化，即可通過卡爾曼濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。首先通過預(yù)測階段可以得到預(yù)測方程和先驗估計協(xié)方差分別為如式(16)和式(17)所示。

其次是進(jìn)行校正階段，需要先求解出卡爾曼增益Kk，計算如式(18)所示。

最后進(jìn)行后驗估值計算，計算過程如式(19)和式(20)所示。

3.3 特征數(shù)據(jù)擬合

多傳感器融合系統(tǒng)獲取傳感數(shù)據(jù)后利用融合算法得到融合數(shù)據(jù)，利用訓(xùn)練爆破器材的無線通訊裝置將運行數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)運算終端平臺，利用系統(tǒng)融合算法將運行數(shù)據(jù)、聲光電的反饋數(shù)據(jù)進(jìn)軌跡顯示和監(jiān)控數(shù)據(jù)實現(xiàn)，所以通過擬合技術(shù)對多類型融合數(shù)據(jù)實時顯示。本文采用的數(shù)據(jù)擬合方法利用移動最小二乘法進(jìn)行了數(shù)據(jù)擬合。

在移動最小二乘法中，通常采用蘭卡斯特和薩爾考斯卡斯定義的局部近似[16]的試驗函數(shù)如式(21)所示。

式(22)中r表示相對距離，σ表示形狀參數(shù)，根據(jù)加權(quán)值插入到擬合值與給定值之間的平方誤差上，通過調(diào)節(jié)權(quán)重值達(dá)到擬合的最優(yōu)化。

4 仿真實驗及結(jié)果分析

多傳感器融合的爆破器材投擲仿真系統(tǒng)驗證實驗通過獲取訓(xùn)練爆破器材的投擲訓(xùn)練數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，驗證多傳感器融合算法的有效性和時效性，通過擬合融合數(shù)據(jù)得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的運行軌跡曲線以及訓(xùn)練爆破器材的狀態(tài)數(shù)據(jù)。本文實驗主要是基于ROS（robot operating system）系統(tǒng)中的Gazebo仿真平臺，通過搭建訓(xùn)練模型以及設(shè)置訓(xùn)練爆破器材上傳感器的參數(shù)，同時修改ROS系統(tǒng)中啟動功能包的配置參數(shù)文件，獲取投擲訓(xùn)練過程中的運行數(shù)據(jù)，最后以PC機(jī)作為數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

4.1 參數(shù)設(shè)置

實驗主要利用軟件仿真平臺對多傳感器融合的訓(xùn)練爆破器材、訓(xùn)練環(huán)境以及數(shù)據(jù)終端平臺進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，通過初始參數(shù)的設(shè)置可以對環(huán)境對象進(jìn)行初始描述，對運行對象的訓(xùn)練過程更容易進(jìn)行數(shù)據(jù)描述。因此對于訓(xùn)練爆破器材和訓(xùn)練環(huán)境的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置可達(dá)到對環(huán)境模型精確描述的目的，由于實際投擲訓(xùn)練過程中會受到不確定的環(huán)境因素干擾，所以在仿真模擬中為了更加真實展示環(huán)境狀態(tài)，引入隨機(jī)擾動變量，作為動態(tài)環(huán)境的隨機(jī)數(shù)，從而保證訓(xùn)練結(jié)果的真實性。

4.2 實驗設(shè)計

本文實驗主要利用模擬仿真平臺對爆破器材投擲過程進(jìn)行模擬仿真，利用基于多傳感器融合的訓(xùn)練爆破器材得到投擲數(shù)據(jù)，分析投擲數(shù)據(jù)實現(xiàn)投擲姿態(tài)的動態(tài)調(diào)整。模擬仿真實驗主要包括兩個部分，分別為訓(xùn)練爆破器材的傳感數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)終端平臺的融合分析；訓(xùn)練爆破器材傳感器數(shù)據(jù)主要從不同數(shù)據(jù)的獲取方式判定數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和可靠性，利用動態(tài)環(huán)境狀態(tài)的數(shù)據(jù)設(shè)計可得到訓(xùn)練環(huán)境模型，從而分析運行狀態(tài)的效果。實驗設(shè)計過程為保證實驗仿真運行過程的真實性和合理性，通過如圖5所示的運行流程圖，可以得到仿真系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

圖5 實驗仿真流程圖

根據(jù)如圖5所示的實驗仿真流程關(guān)系可知訓(xùn)練爆破器材投擲過程的訓(xùn)練仿真過程，通過初始化后，利用訓(xùn)練爆破器材的內(nèi)嵌式無線傳送裝置實現(xiàn)對聲光電數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取和傳送，再根據(jù)終端平臺記錄數(shù)據(jù)，利用融合算法以及數(shù)據(jù)分析方法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理分析，并在交互界面上進(jìn)行動態(tài)顯示，若符合要求則投擲訓(xùn)練完成，不符合要求則需要調(diào)整投擲姿態(tài)再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而調(diào)整達(dá)到訓(xùn)練要求。

4.3 實驗結(jié)果分析

本文實驗通過Gazebo軟件仿真平臺進(jìn)行模擬環(huán)境的仿真，采用EKF融合算法對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)結(jié)果，其中如圖6所示為訓(xùn)練爆破器材投擲過程，利用傳感器獲取的軌跡運動曲線。

圖6 投擲運動軌跡曲線

根據(jù)投擲曲線可知，多傳感器獲取得到訓(xùn)練爆破器材在XYZ軸平面上的運動關(guān)系以及投影在X-Y、Y-Z、X-Z平面上的關(guān)系曲線，通過曲面可以看到X-Y平面上的運動軌跡呈現(xiàn)曲線變化，說明在投擲中受到水平方向上的Y軸方向上的干擾，影響投擲姿態(tài)變化；投擲軌跡曲線在X-Z平面和Y-Z平面的投影反映了訓(xùn)練爆破器材在投擲中的曲線變化呈現(xiàn)拋物線變化趨勢符合投擲運動過程，由此可以通過不同曲線的變化趨勢調(diào)整投擲姿態(tài)。

多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)利用EKF融合算法實現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)的有效融合，本實驗主要是利用慣性陀螺儀傳感器、速度檢測傳感器、高度檢測傳感器，獲取基本運動數(shù)據(jù)，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波融合算法實現(xiàn)融合過程，圖7為不同傳感器獲取的動態(tài)融合數(shù)據(jù)在X-Y平面的映射關(guān)系圖，由圖示可知隨著時間的變化，傳感器獲取的X軸位移變化關(guān)系波動較大，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性較低，通過融合算法后得到的運行數(shù)據(jù)處于多種傳感器獲取數(shù)據(jù)的中間值，并趨向于穩(wěn)定變化。

圖7 多傳感器融合曲線對比

基于多傳感器的訓(xùn)練爆破器材利用聲光電傳感器可以檢測到訓(xùn)練數(shù)據(jù)并在系統(tǒng)中進(jìn)行實時顯示，分析對比可以得到訓(xùn)練爆破器材的聲光電仿真效果，根據(jù)傳感器獲取得到的檢測延遲響應(yīng)時間、煙霧濃度、閃光度等數(shù)據(jù)可以判斷訓(xùn)練爆破器材的真實性，對投擲系統(tǒng)具有重要的輔助價值，如表3所示為傳感器獲取聲光電傳感數(shù)據(jù)的主要參數(shù)，爆炸分貝數(shù)據(jù)在設(shè)置范圍內(nèi)，同時經(jīng)過多次采集數(shù)據(jù)獲取方差變化范圍為5db，煙霧爆炸擴(kuò)散速度檢測數(shù)值主要檢測爆炸煙霧的擴(kuò)散速度，能夠真實有效地模擬爆炸效果；閃光度的平均檢測值為31200cd，在范圍值內(nèi)變化說明訓(xùn)練者可以看到和真實爆破器材類似的視覺效果。

表3 傳感數(shù)據(jù)檢測數(shù)據(jù)

多傳感器融合的爆破器材投擲仿真系統(tǒng)通過收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄投擲狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對姿態(tài)投擲的判斷調(diào)整，并通過對比分析投擲調(diào)整效率，判斷仿真系統(tǒng)的效率變化關(guān)系，本實驗記錄投擲10次的運行數(shù)據(jù)對比分析如圖8所示，分析融合算法和非融合算法條件下的效率提升的柱狀圖變化，由圖示可知，隨著投擲次數(shù)的增加提升效率也在提高，但是提高的速率也在逐漸降低，通過分析圖示得到利用融合算法的提升效率最大值可達(dá)到18.3%，未融合的提升效率最大為16.2%，由此可見融合算法對于提升效率有效，并且經(jīng)過不同投擲次數(shù)可知融合算法的提升效率均高于未采用融合算法的提升效率。

圖8 投擲仿真效率對比分析圖

5 結(jié)論

基于多傳感器融合的爆破器材投擲仿真系統(tǒng)利用多傳感器的特性優(yōu)勢，結(jié)合不同類型傳感器，利用擴(kuò)展卡爾曼濾波融合算法，實現(xiàn)慣性陀螺儀傳感器、速度傳感器、高度傳感器等運行軌跡數(shù)據(jù)的融合，采用移動最小二乘法對存在波動運行軌跡曲線進(jìn)行擬合，然后通過判斷分析聲光電傳感器數(shù)據(jù)，判定數(shù)據(jù)是否在有效區(qū)間，并確定投擲過程的合理性；通過對比采用融合算法對提升仿真效率的效果進(jìn)行分析，得到隨著投擲次數(shù)的增加融合后的投擲效率可達(dá)到18.3%，相比較于未融合算法的提升效率提高2.1%，利用對姿態(tài)的調(diào)整，不斷的優(yōu)化達(dá)到最佳狀態(tài)，并且融合數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性越高對于姿態(tài)調(diào)整的效率更高，所以基于多傳感器融合的爆破器材投擲在仿真系統(tǒng)中的效果明顯。