2003年的初秋,暑气未消,哈工大迎来了新生入学的热潮。非典的阴影已淡去,校园里洋溢着青春的喧嚣。但在“单兵智能系统联合实验室”和远在江南的“青河材料”尖端测试中心,两场无声的战役正进入白热化。
戈壁“淬火”测试暴露的电磁干扰(EmI)问题,如同一根毒刺,深深扎在“钢流”系统迈向实战化的咽喉。张峰大校“无线化、抗干扰加固”的死命令,成为实验室的头号攻坚目标。会议室内,气氛凝重如铁。
“核心矛盾:高可靠、低延迟、强抗干扰的无线传输,与‘钢流’系统海量数据(高精度脑电、多路ImU、接触力、关节状态)及苛刻实时性要求之间的冲突。”陈默在白板上画下巨大的冲突箭头,“现有的蓝牙(802.15.1)带宽和抗干扰能力是玩具,军用跳频电台体积功耗是怪兽,都不适用。”
攻坚策略:分而治之,多模冗余!
1. 数据分级与分流:
关键指令(毫秒级): 启动\/停止、模式切换、紧急制动。要求绝对可靠、超低延迟(<10ms)。
状态数据(十毫秒级): 关节角度\/力矩、电池状态、bcI基础状态(专注度、信号质量)。要求可靠、中等延迟。
原始数据(流式): 高密度脑电原始信号(用于后台分析、模型优化)。可容忍较高延迟和偶发丢包。
2. 多模无线架构:
指令\/状态通道(主): 定制化微功率跳频扩频(FhSS)电台。 李思远团队负责:
工作在ISm频段边缘的干净子带(避开主要干扰源)。
极简协议栈: 牺牲通用性,只为“钢流”关键数据定制,压缩帧头,减少开销。
强纠错编码: 采用turbo码或Ldpc等接近香农限的高性能编码,提升抗突发干扰能力。
微型化、低功耗设计: 集成到“脑电盒”和“铁臂”控制中枢内部。
原始脑电备份通道(辅): 高速率、低功耗的私有协议(如基于改进的Zigbee phY层)。 周斌团队负责,仅在主通道不稳定或需要后台深度分析时启用。
物理层加固: 选用优质屏蔽线材(即使无线,内部短连接仍需)、优化pcb布局布线、关键芯片加屏蔽罩、接插件镀金防氧化。
3. “软件定义抗干扰”:
动态频谱感知: 微型FhSS电台集成简易频谱感知模块,发现强干扰自动规避到更干净频点。
链路质量实时评估与切换: 主通道质量低于阈值时,自动短暂启用备份通道传输关键指令(需解决切换延迟问题)。
“脑电盒”增加缓存: 对原始脑电数据做短时缓存,应对无线瞬断,保证数据流完整性。
实验室里的“电磁风暴”:
一台大功率的军用通讯干扰模拟器被接入实验室。改进后的“钢流”原型机(内部已集成微型FhSS模块)被置于干扰场中。
场景一(常规干扰): FhSS电台灵活跳频,关键指令(由周斌模拟发送)传输稳定,延迟测试达标(8ms)。状态数据偶有丢包重传,但整体可控。
场景二(强针对性阻塞干扰): 模拟器锁定FhSS跳频范围进行饱和式干扰。主通道链路质量急剧下降!
策略生效: 动态频谱感知模块捕捉到阻塞,FhSS电台尝试跳到预设的“避难”频点(干扰较弱)。
切换挑战: 切换到备用通道传输关键指令时,出现了约50ms的切换延迟!这对于要求毫秒级响应的紧急制动指令是不可接受的!
“脑电盒”缓存立功: 原始脑电数据流虽有短暂毛刺,但依靠缓存未出现断流。
“切换延迟是死穴!战场上50ms可能就是生与死!”李思远眉头紧锁。“必须优化切换算法,或者… 增加第三条超低延迟、极窄带的应急指令通道? 比如光通信?但指向性和环境遮挡…”
“光通信在复杂战场环境实用性存疑。”陈默否定了这个想法,“优化切换逻辑,压缩到20ms以内!同时,提升主通道在极端干扰下的生存能力,把切换作为最后手段! 硬件层面,寻找更高性能的抗干扰芯片!软件层面,探索更智能的干扰预测和规避策略!”
无形的电磁战场上,每一次微秒级的延迟优化、每一分贝的抗干扰提升,都意味着战士多一分生的希望。攻坚,仍在焦灼中推进。
江南,“青河材料”尖端动力学测试中心。这里没有戈壁的风沙,却弥漫着另一种紧张——精密仪器运行的嗡鸣和高速相机捕捉瞬间的轻微快门声。
陈默、李思远(负责同步采集“铁臂”数据)以及“青河”的工程师团队,正进行着一项前所未有的测试:利用舰载机着舰钩材料测试平台,采集人类战士(志愿者)穿戴“铁臂”进行极限战术动作的高精度生物力学数据!
测试平台:
超高帧率光学动态捕捉系统: 24台高速红外摄像机(1000fps+),覆盖整个测试区域,粘贴在受试者关键骨骼节点和“铁臂”上的反光标记点清晰可见。
六维力\/力矩测量平台: 受试者脚下的测力台,以及集成在“铁臂”与人体关键接触点(肩、上臂、前臂)的微型六维力传感器(“青河”为此次合作特制),精确测量人机交互力。
同步系统: 所有光学、力学、以及“铁臂”自身的关节传感器(角度、力矩)数据严格同步,时间精度微秒级。
受试者: 一位身体素质顶尖的特战队员志愿者(代号“山鹰”),已进行充分适应性训练。
测试动作:
1. 模拟跃下两米矮墙: 重点捕捉落地瞬间全身冲击载荷传递,特别是脊柱、下肢关节以及“铁臂”与躯干的交互力。
2. 高速变向冲刺及急停: 捕捉惯性载荷下,核心肌群发力与“铁臂”助力\/惯性的耦合。
3. 模拟被爆炸冲击波气浪推动: (在特制安全装置保护下)侧向受力,测试非平衡态下的稳定性与交互力。
4. 极限战术翻滚: 捕捉复杂多轴旋转下的全身运动链协调与接触力变化。