陳泳安 余紅英 樊永生

【摘要】為滿足新時(shí)代戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)需求，適應(yīng)其日益加大的飛行強(qiáng)度和難度，設(shè)計(jì)了以各類CUP作為核心處理器，以各類纖維傳感器作為感知設(shè)備，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸模塊，和特殊功能的高分子材料，重新編織、融合加工成為具有特殊功能的新材料，配合上位機(jī)遠(yuǎn)程操控模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行員各類身體生理指標(biāo)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)防身體突發(fā)狀況，提高飛行質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】作戰(zhàn)需求;CUP;感知設(shè)備;傳輸模塊;材料

引言

隨著新型戰(zhàn)機(jī)性能越來(lái)越優(yōu)良，飛行強(qiáng)度和飛行難度日益加大，尤其當(dāng)飛行員在進(jìn)行高難度課目飛行時(shí)，戰(zhàn)斗機(jī)的高機(jī)動(dòng)性、高載荷極易使飛行員產(chǎn)生暈厥，以及可能產(chǎn)生倒飛、翻滾等錯(cuò)覺(jué)，影響戰(zhàn)機(jī)的作戰(zhàn)效能和飛行安全，甚至引發(fā)嚴(yán)重的飛行事故。航空衛(wèi)勤專家周亞軍曾指出：“飛行中的安全隱患，有時(shí)是感覺(jué)不出來(lái)的，對(duì)空中飛行員身體各項(xiàng)生理、心理健康指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以大大提高航空衛(wèi)勤保障水平。”實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行員的各項(xiàng)生理指標(biāo)將有助于飛行員對(duì)自身身體出現(xiàn)的突發(fā)狀況進(jìn)行預(yù)防、預(yù)警和處理，及時(shí)糾正由于身體狀況產(chǎn)生的生理錯(cuò)覺(jué)，降低身體突發(fā)狀況的可能性，保障飛行質(zhì)量。

1.智能材料概述

智能感知材料是20世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來(lái)的一類新型復(fù)合材料。一般來(lái)講，它由各類纖維傳感器和具有特殊性能的高分子原料制作而成：可以在紡織品中加入經(jīng)過(guò)微型化處理的電子產(chǎn)品;還可以利用織造的方式，把具有特殊功能的材料與一般纖維交織，變成具有感應(yīng)裝置的布料，研究傳感功能和電子特性。

2.總體設(shè)計(jì)方案

智能材料主要由高分子纖維、各類植入纖維傳感器、信號(hào)傳輸與反饋單元、數(shù)據(jù)記錄儀以及地面上位機(jī)等幾部分組成。主要包括體溫測(cè)量模塊，血壓測(cè)量模塊，心率監(jiān)控模塊，脈搏檢測(cè)模塊，智能數(shù)據(jù)綜合處理模塊，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊等。最終的智能感知材料將被制作成飛行員的指定穿戴內(nèi)衣，以實(shí)現(xiàn)材料的各種功能。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

本方案設(shè)計(jì)的智能感知材料不但具備以上外部環(huán)境需求功能指標(biāo)，還可以達(dá)到自身材料應(yīng)該具備的多種性質(zhì)，如耐高溫，吸水、吸汗性能和可以洗滌等。

2.1 系統(tǒng)工作原理

傳感器織物電極作為心電信號(hào)傳感器、體溫傳感器以及脈搏傳感器，通過(guò)特殊導(dǎo)線與測(cè)量單元相連接組成了傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集各種傳感器輸出的電信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)模塊中，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向地面上位機(jī)發(fā)送包含生理信號(hào)的數(shù)據(jù)包。上位機(jī)裝有監(jiān)護(hù)軟件，具有建立及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件、顯示生理信號(hào)圖像、提取或計(jì)算生理信號(hào)特征信息、識(shí)別異常心電波形及輔助診斷等功能。用于地面指揮中心了解飛行員實(shí)時(shí)飛行身體狀況和綜合分析各類數(shù)據(jù)，從而對(duì)飛行員進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練。數(shù)據(jù)記錄儀則相當(dāng)于智能感知材料的黑匣子，全程記錄傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，用于飛行結(jié)束后，對(duì)數(shù)據(jù)的分析、處理。

2.2 各模塊功能設(shè)計(jì)

2.2.1 體溫檢測(cè)模塊

光纖光柵是一種新型光無(wú)源器件，具有制作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、體積小、抗電磁干擾、使用靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。由于光纖布拉格光柵體積小、重量輕，與紗線兼容并可織入織物內(nèi)部，因此是構(gòu)成智能材料最有潛力的傳感元件。系統(tǒng)采用測(cè)體溫方法是基于智能纖維材料傳感器的人體測(cè)溫方法。人體溫度測(cè)量的智能纖維材料利用不飽和樹(shù)脂高聚物進(jìn)行封裝。使用五個(gè)智能纖維材料傳感器分別放置在右胸、右腋，左腋.后背和左胸。實(shí)驗(yàn)中先測(cè)得各智能纖維材料傳感器反射中心波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，再結(jié)合5個(gè)智能纖維材料溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)，通過(guò)公式分析計(jì)算得到5個(gè)點(diǎn)的溫度測(cè)量值。

人體測(cè)溫的結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 體溫測(cè)量模塊

圖2為基于可調(diào)諧F_P濾波的解調(diào)光路和電路，在解調(diào)光路中由寬帶光源SLED、隔離器、F-P濾波器構(gòu)成可調(diào)諧窄帶光源，在信號(hào)處理單元輸出的驅(qū)動(dòng)電壓控制下，可調(diào)諧窄帶光源輸出不同中心波長(zhǎng)的窄帶光，經(jīng)耦合器輸入到傳感光路。植入服裝中的分布式光纖布拉格光柵反射光經(jīng)光電探測(cè)器后輸出電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理單元采樣后進(jìn)行波長(zhǎng)分析。信號(hào)處理電路對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行采集與處理，植入服裝中的分布式光纖布托格光柵反射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，由信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大和濾波，信號(hào)調(diào)理電路的輸出經(jīng)過(guò)處理器的采樣和存儲(chǔ)，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。處理后再傳給另外一個(gè)處理器，完成核心解調(diào)算法，并將溫度結(jié)果進(jìn)行輸出。

2.2.2 脈搏檢測(cè)模塊

考慮到對(duì)人體無(wú)侵害性、體積限制、靈敏度、與服裝集成時(shí)安置的特殊需求等因素，選用由聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜制成的振動(dòng)傳感器，PVDF壓電薄膜被層壓在很薄的聚酯基片上，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小、容易安裝、彈性好、靈敏度高、頻帶寬等優(yōu)點(diǎn)，能基本滿足脈搏測(cè)量的條件。脈搏模塊由傳感器、外接電路、電源、傳輸路線和信號(hào)采集卡組成。

2.2.3 心電檢測(cè)模塊

心電檢測(cè)儀是通過(guò)捕捉心電信號(hào)反應(yīng)人體心臟的健康程度，能夠捕捉到心電信號(hào)的部位都可以作為心電監(jiān)測(cè)部位。

模塊采用導(dǎo)聯(lián)線法是通過(guò)電極捕捉心電信號(hào)，可以將電極固定在服裝上，心電采集系統(tǒng)主要由四部分組成：放大濾波、A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)分析單元。

2.2.4 血壓測(cè)量模塊

該系統(tǒng)采用示波法來(lái)對(duì)血壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該血壓測(cè)量模塊主要有五大部分組成：氣路部分、壓力傳感器部分、前端數(shù)據(jù)采集及處理部分、控制芯片以及LCD顯示部分。模塊系統(tǒng)示意如圖3所示：

圖3 血壓測(cè)量模塊組成

氣路部分由氣泵、放氣閥與袖帶組成。該血壓測(cè)量模塊的袖帶位于檢測(cè)衣的袖臂的肱動(dòng)脈處，可以通過(guò)控制氣泵袖帶進(jìn)行充氣從而阻斷動(dòng)脈血流，之后再通過(guò)控制放氣閥將袖帶內(nèi)的氣體逐漸排空。

前端采集處理部分由高通濾波電路、低通濾波電路、運(yùn)算放大電路以及A/D轉(zhuǎn)換組成。

2.2.5 智能數(shù)據(jù)處理中心

在智能數(shù)據(jù)處理中心CPU接收到參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各模塊子系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并且發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)之后，給定處理算法，由CPU整體、統(tǒng)一分析處理，并且智能顯示于上位機(jī)或者飛行戰(zhàn)機(jī)顯示屏。如果各項(xiàng)數(shù)據(jù)均正常，則處理中心整體對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算之后，顯示身體健康;如果任何一個(gè)模塊數(shù)據(jù)分析之后，不符合正常飛行員身體健康數(shù)據(jù)，身體健康診斷的專家診斷系統(tǒng)根據(jù)多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷給出預(yù)警。

2.2.6 高分子纖維

作為各類纖維傳感器、測(cè)量單元以及導(dǎo)線的搭載平臺(tái)，又是飛行員的穿著內(nèi)衣材料，需要使用者貼身穿著。實(shí)現(xiàn)傳感器與原材料搭載的一體化，功能順利實(shí)現(xiàn)，還要保證飛行員的穿著舒適性;具有良好的彈性和可恢復(fù)性，以確保能與使用者皮膚完好接觸;用料舒適對(duì)皮膚無(wú)刺激;重量輕，外形結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)約，減少對(duì)身體活動(dòng)的限制;清洗方便。

2.2.7 穿戴內(nèi)衣

在本方案中，智能感知材料制作為飛行員特制穿戴內(nèi)衣，加工過(guò)程可以參考三維編織設(shè)備和三維異型整體編織技術(shù)。加工成功的穿戴內(nèi)衣設(shè)置有布線區(qū)、織物電極連接盤以及用來(lái)安衣放測(cè)量單元的口袋。

傳感器與處理器之間連接的導(dǎo)線可以利用具有感知和反應(yīng)的智能纖維與普通纖維交織，融入在服裝中。心電電極是用來(lái)傳導(dǎo)人體體表心電電平的導(dǎo)體，也稱做導(dǎo)引電極。目前臨床應(yīng)用的心電電極種類主要有金屬平板電極、吸附電極，粘性電極等。心電監(jiān)護(hù)儀采用電極片捕捉電信號(hào)時(shí)需要導(dǎo)聯(lián)線的連接，而導(dǎo)聯(lián)線在服裝表層影響美觀，在里層直接與皮膚接觸影響服裝的穿著舒適性，所以需要用材料將其固定遮蓋。材料選擇魔術(shù)貼，為了避免魔術(shù)貼表面粗糙影響觸感，將在魔術(shù)貼與皮膚的接觸面覆蓋面料，改善其舒適度。脈搏信號(hào)與體溫模塊的測(cè)量電極也可以采用相同的處理辦法。

3.材料設(shè)計(jì)可行性分析

智能感應(yīng)材料技術(shù)的研究國(guó)內(nèi)外雖然已經(jīng)取得一定的成果，國(guó)外有較多的產(chǎn)品出現(xiàn)。但并未獲得大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)展。（1）為了實(shí)現(xiàn)智能功能，電子智能材料中不可避免要用到一些電子元件，用這些材料設(shè)計(jì)智能服裝時(shí)會(huì)影響服裝的穿著舒適性。如何將各種電子元件做成柔性體，將智能纖維與電子技術(shù)完美結(jié)合，技術(shù)還在初級(jí)階段;（2）目前開(kāi)發(fā)的電子智能材料由于電子元件和布線等因素，有些電路系統(tǒng)比較復(fù)雜，大部分還是存在不方便洗滌的情況;（3）智能材料中的智能功能，在使用初期測(cè)試效果比較明顯，但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，功能可靠性可能下降，同時(shí)在使用時(shí)由于一些外界因素會(huì)影響電子元件，也會(huì)影響其功能;（4）另外材料中的電子器件不可避免的會(huì)產(chǎn)生微小的電流磁場(chǎng)，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微量輻射作用。

智能材料的生產(chǎn)工藝仍然處于研究、試驗(yàn)階段，仍然存在功能的穩(wěn)定性，功能實(shí)現(xiàn)的難易，本身材料性質(zhì)對(duì)功能實(shí)現(xiàn)的制約，生產(chǎn)成本造價(jià)高等等問(wèn)題。

4.創(chuàng)新點(diǎn)

（1）智能纖維和高分子原料融合技術(shù)

利用各類智能纖維傳感器和高分子原料生產(chǎn)出的智能材料是航空救生智能感知材料研究的核心技術(shù)。具有舒適性功能高分子原料織物提供了可穿戴式模型的整個(gè)工作平臺(tái)，所選用的纖維是依據(jù)欲達(dá)到的服裝功能來(lái)選擇的，再運(yùn)用內(nèi)部隱藏式配線技術(shù)，高分子原料和各類傳感器實(shí)現(xiàn)了融合。

（2）先進(jìn)傳感和數(shù)據(jù)處理技術(shù)

智能材料技術(shù)是整合了多功能模塊的系統(tǒng)集成技術(shù)，主要模塊包括檢測(cè)，數(shù)據(jù)采集及整理，數(shù)據(jù)處理及分析以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｏ到y(tǒng)對(duì)各種生理信號(hào)如心電信號(hào)、血壓、體溫、脈搏等各種生理信號(hào)的全方位監(jiān)測(cè)和綜合處理，判斷流程智能化、專家化。

5.結(jié)論

對(duì)于智能材料的研究，國(guó)內(nèi)外仍然處于初級(jí)階段?，F(xiàn)有的材料功能單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，滿足不了現(xiàn)代化需求。航空救生智能材料的設(shè)計(jì)綜合了國(guó)內(nèi)外各項(xiàng)技術(shù)于一體，討論了具有各類纖維傳感器和CUP核心處理器組成的功能完善，設(shè)計(jì)貼近飛行員飛行需求的新型材料。對(duì)于航空飛行、醫(yī)療保健等具有重要意義。