無人機(jī)模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于進(jìn)勇, 寇昆湖, 陳 勇, 張 凱

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系， 山東 煙臺(tái) 264001)

0 引 言

現(xiàn)階段，國內(nèi)外無人機(jī)都迎來了大發(fā)展，有著很大的發(fā)展?jié)摿土己玫膽?yīng)用前景[1-3]。雖然無人機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其裝備部隊(duì)后形成戰(zhàn)斗力需要一段時(shí)間。和其它軍用武器裝備一樣，無人機(jī)要想在戰(zhàn)場上發(fā)揮出應(yīng)有的效能，就必須進(jìn)行大量的飛行訓(xùn)練[4-5]。如果完全依靠真實(shí)無人機(jī)訓(xùn)練，一是客觀條件不允許，風(fēng)險(xiǎn)大。無人機(jī)不像有人駕駛飛機(jī)，當(dāng)有人駕駛飛機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，飛行員可根據(jù)故障情況采取一定措施盡可能地使飛機(jī)安全著陸，但無人機(jī)在飛行時(shí)若發(fā)生故障，則很可能造成飛機(jī)墜毀。二是花費(fèi)太高。每組織一次無人機(jī)實(shí)機(jī)訓(xùn)練，都要消耗大量的人力物力，包括無人機(jī)操作、保障人員的使用，油料、物資的消耗等，同時(shí)實(shí)際訓(xùn)練當(dāng)中不可避免地要對無人機(jī)造成一些正常和非正常磨損，導(dǎo)致訓(xùn)練費(fèi)用過高[6]。為解決這一問題，設(shè)計(jì)符合要求的無人機(jī)訓(xùn)練模擬器是一種很好的選擇。操作人員通過進(jìn)行模擬訓(xùn)練，既可以完成無人機(jī)各種科目訓(xùn)練、降低訓(xùn)練風(fēng)險(xiǎn)、避免因操作失誤造成無人機(jī)不必要的損失，又可以減少物資消耗，節(jié)約經(jīng)費(fèi)[7-9]。

1 系統(tǒng)功能

無人機(jī)訓(xùn)練模擬教學(xué)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)監(jiān)控、任務(wù)控制、任務(wù)規(guī)劃、飛行控制四臺(tái)機(jī)柜、教員控制臺(tái)和教學(xué)投影設(shè)備組成，完成飛控、測控、任控操作手的操作訓(xùn)練、教學(xué)演示及訓(xùn)練評估[10-11]。

系統(tǒng)監(jiān)控主要模擬監(jiān)控機(jī)載測控設(shè)備和地面測控設(shè)備的工作狀況及鏈路工作情況和模擬鏈路控制及進(jìn)行設(shè)備管理，主要包括狀態(tài)采集、故障分析、監(jiān)控顯示、鏈路和設(shè)備控制命令的生成等[12]。

任務(wù)控制用來模擬紅外、可見光、數(shù)碼相機(jī)、雷達(dá)圖像顯示與數(shù)據(jù)處理、模擬航跡顯示、平臺(tái)儀表顯示、遙測列表參數(shù)及模擬任務(wù)控制指令生成和控制能力[13-14]。

任務(wù)規(guī)劃主要模擬完成對無人機(jī)飛行航路編輯的任務(wù)規(guī)劃功能及模擬接收和記錄各種原始遙測數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理及記錄。

飛行控制具有模擬遙測參數(shù)顯示、飛行航跡顯示、飛行姿態(tài)儀表顯示、模擬飛行指令編制、飛行控制及模擬實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)、異常報(bào)警顯示等功能[15]。

教員控制能編輯、設(shè)置訓(xùn)練任務(wù)、訓(xùn)練條件、初始環(huán)境，根據(jù)下達(dá)的訓(xùn)練任務(wù)，自動(dòng)生成訓(xùn)練環(huán)境和仿真訓(xùn)練方案，并可實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)修改任務(wù)、實(shí)時(shí)設(shè)定特殊情況，同時(shí)具有操作訓(xùn)練的演示、記錄、回放功能，以提供成績評判依據(jù)，最后將訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，根據(jù)需要查詢訓(xùn)練的相關(guān)資料。

教學(xué)投影采用三維方式，顯示無人機(jī)起飛、著陸、飛行時(shí)的三維場景，還可實(shí)時(shí)仿真顯示任務(wù)設(shè)備獲取的紅外、可見光等圖像，動(dòng)態(tài)顯示仿真無人機(jī)飛行時(shí)的遙測數(shù)據(jù)，直觀顯示操控過程，并可切換顯示不同席位操控界面。

2 系統(tǒng)組成及原理

2.1 系統(tǒng)組成

無人機(jī)訓(xùn)練模擬教學(xué)系統(tǒng)總體采用基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各仿真功能系統(tǒng)采用局域網(wǎng)連接，在設(shè)計(jì)上留有廣域網(wǎng)擴(kuò)展能力。系統(tǒng)主要由指揮控制仿真訓(xùn)練、教學(xué)指揮管理、三維視景和計(jì)算機(jī)軟件仿真等部分組成，效果如圖1所示，總體如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)效果圖

2.2 系統(tǒng)原理

教學(xué)指揮管理系統(tǒng)結(jié)合視景系統(tǒng)建立起仿真訓(xùn)練平臺(tái)，在此平臺(tái)上可以完成仿真訓(xùn)練課目，并為提供任務(wù)演示、研究的軟硬件環(huán)境，在此環(huán)境下主要完成仿真訓(xùn)練任務(wù)的調(diào)度，通過方案布置完成訓(xùn)練任務(wù)的設(shè)置、下達(dá)，無人機(jī)的初始化設(shè)置；在仿真運(yùn)行過程中系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整，改變訓(xùn)練環(huán)境；通過實(shí)時(shí)記錄、可控回放完成操作訓(xùn)練評判和綜合訓(xùn)練評估。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

視景系統(tǒng)提供逼真的操作現(xiàn)場環(huán)境，根據(jù)教學(xué)指揮管理系統(tǒng)的控制可仿真無人機(jī)在執(zhí)行偵察任務(wù)過程中的場景及無人機(jī)狀態(tài)，為任務(wù)評判、綜合訓(xùn)練評估提供可視的圖像信息。同時(shí)視景顯示系統(tǒng)還可為教學(xué)演示提供包括可編輯的訓(xùn)練環(huán)境圖、無人機(jī)所處虛擬視景環(huán)境、無人機(jī)操作及設(shè)備參數(shù)顯示、操作監(jiān)控等顯示切換功能。

計(jì)算機(jī)軟件仿真件系統(tǒng)是模擬器的核心，完成無人機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)仿真、指揮控制設(shè)備仿真、機(jī)載設(shè)備仿真無人機(jī)系統(tǒng)飛控導(dǎo)航仿真；同時(shí)為仿真飛行環(huán)境提供視景圖像和電子地圖的仿真，提供與真實(shí)指揮控制軟件相一致的交互性強(qiáng)、界面友好的仿真環(huán)境；為教學(xué)指揮管理系統(tǒng)提供操作靈活、功能強(qiáng)大的管理軟件。

3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算機(jī)仿真分系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)仿真分系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法，基于Windows NT系統(tǒng)平臺(tái)，以Microsoft Visual C++ 6.0作為開發(fā)工具，應(yīng)用Arcinfo、Vega、MultiGen等軟件工具來實(shí)現(xiàn)。

3.1.1氣動(dòng)仿真

氣動(dòng)仿真包括對無人機(jī)氣動(dòng)及動(dòng)力等部分的仿真，主要包括以下幾個(gè)模塊：

(1) 大氣環(huán)境模塊。模擬大氣環(huán)境對飛行的各種影響，包括大氣溫度、大氣壓力、均勻風(fēng)場、風(fēng)切變和紊流各種環(huán)境因素。

(2) 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊。根據(jù)無人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)無人機(jī)的飛行狀態(tài)計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、燃油消耗率、轉(zhuǎn)速和排氣溫度等性能參數(shù)。

(3) 質(zhì)量模塊。模擬無人機(jī)飛行中各種因素引起的質(zhì)量和慣量的變化。如因燃油消耗使飛機(jī)質(zhì)量減小，并使飛機(jī)的重心位置和慣量發(fā)生變化等。

(4) 運(yùn)動(dòng)方程模塊。根據(jù)無人機(jī)的氣動(dòng)參數(shù)和計(jì)算得到的無人機(jī)所受的外力及力矩，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的推力、空氣動(dòng)力、自身的重力、地面支反力、摩擦力及它們對無人機(jī)所產(chǎn)生的力矩，利用6自由度非線性全量剛性飛行運(yùn)動(dòng)方程可計(jì)算出無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、位置和姿態(tài)。

(5) 輸出飛行參數(shù)模塊。為其他分系統(tǒng)根據(jù)飛行參數(shù)進(jìn)行解算提供數(shù)據(jù)。

3.1.2飛控導(dǎo)航軟件

飛控導(dǎo)航軟件主要仿真無人機(jī)飛控導(dǎo)航過程，根據(jù)實(shí)裝指揮控制車與無人機(jī)的數(shù)據(jù)鏈接口，進(jìn)行定性的仿真。

首先在輸入、輸出接口上通過軟硬件結(jié)合仿真飛控導(dǎo)航功能，采用機(jī)理建模的方法，忽略輸入、輸出接口間物理硬件以及傳輸方式、協(xié)議，根據(jù)數(shù)據(jù)鏈接口功能定義仿真接口協(xié)議，在局域網(wǎng)上傳輸仿真數(shù)據(jù)，完成在仿真環(huán)境下的飛控導(dǎo)航軟件。

3.1.3指揮控制仿真軟件

指揮控制仿真軟件仿真飛行控制席位、任務(wù)規(guī)劃席位、任務(wù)控制席位和鏈路監(jiān)控席位所包含的軟件功能。

(1) 飛行控制軟件。飛行控制軟件由航跡顯示模塊、飛行儀表模塊、飛控參數(shù)顯示模塊以及飛控指令生成模塊組成。作為系統(tǒng)的主要組成部分，實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)飛行航跡、無人機(jī)飛行姿態(tài)、飛行控制計(jì)算機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測；并具有遙測參數(shù)的綜合處理、顯示功能。

(2) 任務(wù)規(guī)劃軟件。任務(wù)規(guī)劃的主要任務(wù)是進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃以及保存下行的遙測數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理。其軟件功能主要是對無人機(jī)的飛行航路進(jìn)行編輯；接收和記錄各種原始數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)，供其他軟件進(jìn)行界面顯示以及系統(tǒng)作事后分析用；對數(shù)據(jù)庫中保存的各種原始數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)進(jìn)行備份恢復(fù)、查詢顯示和回放。

(3) 任務(wù)控制軟件。任務(wù)控制軟件主要進(jìn)行圖像顯示與載荷管理操作，是使操作人員在屏幕上可以實(shí)時(shí)觀看傳回的圖像信息，確定和調(diào)整有效載荷(仿真紅外、可見光、SAR等)的工作狀態(tài)。它主要包括圖像數(shù)據(jù)處理、圖像顯示、有效載荷控制指令生成等功能。

(4) 鏈路監(jiān)控軟件。鏈路監(jiān)控軟件主要功能是監(jiān)視機(jī)載測控設(shè)備和地面測控設(shè)備的工作狀況及鏈路工作狀況。可完成鏈路控制和設(shè)備管理，主要包括狀態(tài)采集、故障分析、監(jiān)控顯示、鏈路和設(shè)備控制命令的生成等功能。

3.2 教學(xué)指揮管理系統(tǒng)

3.2.1基本功能

教學(xué)指揮管理系統(tǒng)作為訓(xùn)練模擬器整機(jī)和教員的人機(jī)界面，是模擬器的總控制臺(tái)。教學(xué)指揮管理系統(tǒng)不但完成訓(xùn)練任務(wù)的方案布置、訓(xùn)練參數(shù)調(diào)整及訓(xùn)練評判，而且具備仿真訓(xùn)練的管理功能，包括任務(wù)管理、人員管理、打印輸出等功能。結(jié)合視景系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)軟件仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任務(wù)管理、方案布置、實(shí)時(shí)調(diào)整、訓(xùn)練評判及人員管理功能。

3.2.2實(shí)現(xiàn)方法

教學(xué)指揮管理系統(tǒng)的硬件部分由可靈活拆裝的指揮控制臺(tái)和管理計(jì)算機(jī)組成組成，指揮控制臺(tái)如圖3所示。

圖3 指揮控制臺(tái)

為便于隨行訓(xùn)練，指揮控制臺(tái)在結(jié)構(gòu)上采取上下分體結(jié)構(gòu)，下部放置管理計(jì)算機(jī)，上部安裝計(jì)算機(jī)的輸入輸出設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等，打印機(jī)置于指揮控制臺(tái)上部的后側(cè)內(nèi)部，不用時(shí)將打印機(jī)裝于指揮控制臺(tái)內(nèi)部。

管理計(jì)算機(jī)采用基于PC的計(jì)算機(jī)，為增加可靠性，機(jī)箱采用工業(yè)控制機(jī)箱。

在指揮控制臺(tái)的控制面板上安裝有視頻切換裝置，可供教學(xué)人員將指揮控制方艙內(nèi)的各席位顯示畫面、指揮控制臺(tái)顯示畫面、視景系統(tǒng)畫面實(shí)時(shí)切換顯示在指揮控制臺(tái)上，共教學(xué)人員指揮受訓(xùn)人員操作，也可作為訓(xùn)練過程中演示、講解。

指揮控制臺(tái)的對講設(shè)備用于指揮控制臺(tái)和方艙內(nèi)通話，完成教、學(xué)員之間的通信功能。

3.3 視景系統(tǒng)

視景顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)為虛擬三維場景，主要提供真實(shí)的操作現(xiàn)場環(huán)境。

3.3.1視景系統(tǒng)功能

(1) 視景系統(tǒng)在功能設(shè)計(jì)上主要完成以下任務(wù)：① 顯示無人機(jī)起飛、著陸、飛行過程中的場景及無人機(jī)狀態(tài)；② 訓(xùn)練環(huán)境監(jiān)視：利用可視化手段全面直觀地將訓(xùn)練環(huán)境的態(tài)勢和整個(gè)訓(xùn)練過程展示給觀摩及評估人員；③ 訓(xùn)練測評：實(shí)現(xiàn)對整個(gè)訓(xùn)練過程的不同訓(xùn)練席位操作人員的訓(xùn)練監(jiān)控。

(2) 視景系統(tǒng)可作為教學(xué)演示及訓(xùn)練全程可視化展示。主要提供如下功能：① 可對各個(gè)操縱席位的操縱、指揮情況實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)督；② 可對各操縱席位的機(jī)器狀態(tài)及參數(shù)實(shí)施實(shí)時(shí)查閱；③ 可對訓(xùn)練各環(huán)節(jié)的狀態(tài)及參數(shù)實(shí)施實(shí)時(shí)查閱。

通過可視化監(jiān)控系統(tǒng)提供的上述功能，可使教員、學(xué)員及參觀人員詳細(xì)、直觀、清晰地對無人機(jī)使用的整個(gè)過程以及無人機(jī)的使用效能進(jìn)行有效地演示，使整個(gè)過程更為直觀。

3.3.2視景系統(tǒng)圖像生成

根據(jù)訓(xùn)練空域和偵察任務(wù)飛行的需求，圖像生成系統(tǒng)有以下內(nèi)容：① 建立圖形模型庫：包括滿足任務(wù)要求的、具有多細(xì)節(jié)層次的地形、地貌、地面特征物、光點(diǎn)等模型，并能在低空時(shí)均有紋理描述。② 具有白天、黃昏、夜間工作模式。③ 具有不同高度和厚度的云層，能見度可調(diào)。④ 具有形成訓(xùn)練環(huán)境的活動(dòng)目標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文采用半實(shí)物仿真方式，真實(shí)模擬無人機(jī)系統(tǒng)性能，建立逼真的系統(tǒng)指揮控制模擬訓(xùn)練環(huán)境，用以完成對系統(tǒng)監(jiān)控、任務(wù)控制、任務(wù)規(guī)劃、飛行控制等指揮控制人員的基本技能培訓(xùn)，可以大大提高無人機(jī)操作人員的培訓(xùn)效率，縮短人員的培訓(xùn)時(shí)間，使無人機(jī)裝備部隊(duì)后在盡可能短的時(shí)間內(nèi)形成戰(zhàn)斗力。

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