無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與研究

申斌 宮海龍 梁少軍 李曉龍

摘 要：無人駕駛飛機是利用自備程序控制裝置以及無線電遙控設(shè)備操縱的不載人飛機，隨著其研發(fā)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無人駕駛飛機在民用以及軍事等領(lǐng)域占據(jù)的地位日益重要。所以，設(shè)計與探究無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)，使操作人員在訓(xùn)練過程中獲得形象、豐富的體感，強調(diào)其在虛擬環(huán)境中的主導(dǎo)作用，能夠為進(jìn)一步提升我國無人機技術(shù)力量奠定堅實基礎(chǔ)。該文第一部分分析了無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研究意義，為設(shè)計的可行性提供理論基礎(chǔ)；第二部分對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行概述，強調(diào)了系統(tǒng)功能以及需要進(jìn)一步完善的模塊；第三部分與第四部分則分別研究了無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的工作原理、功能模塊，分析了無人機訓(xùn)練的要點以及急需強化的部位；第五部分研究了無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計成果特點，為進(jìn)一步研發(fā)高新系統(tǒng)，促進(jìn)科學(xué)研發(fā)、國民經(jīng)濟以及國防裝備試驗力量提供良好借鑒。

關(guān)鍵詞：無人機 仿真訓(xùn)練 原理功能

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0063-02

仿真訓(xùn)練系統(tǒng)是當(dāng)前無人機中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，其以專用物理效應(yīng)設(shè)備以及計算機為工具，在一定的系統(tǒng)模型上試驗假想或者真實的系統(tǒng)，通過分析研究試驗結(jié)果，以做出最終決策。不過，在過去的計算機仿真系統(tǒng)中，操作人員往往為旁觀者，不能根據(jù)自己的視點調(diào)節(jié)可視場景，導(dǎo)致用戶缺乏了身臨其境的感覺。所以，結(jié)合虛擬現(xiàn)實，研發(fā)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠幫助解決遺留的人機交互缺乏的問題，在新概念、新方式、新內(nèi)容以及新方法的引領(lǐng)下，使得無人機訓(xùn)練的方式更加和諧，內(nèi)容更加形象，為提高我國的無人機操作能力做好充足準(zhǔn)備。

1 研制意義

無人駕駛飛機是一種復(fù)雜的技術(shù)設(shè)備，其不僅能夠進(jìn)出危險空域，發(fā)揮自身特殊效用，而且能夠完成過去許多只有有人機才能夠完成的任務(wù)，并利用自身自重輕、體積小、成本低的特點，極大地改變了人們生活。所以進(jìn)行必要的技術(shù)訓(xùn)練，對于提高無人機飛行的準(zhǔn)確性具有重要意義。但是作為高新武器裝備，無人機的價格十分昂貴，且其壽命十分有限，其不允許被多次訓(xùn)練使用，除此以外，無人機中一些訓(xùn)練科目操作還具有較大的危險性，所以為了防止資源浪費以及訓(xùn)練事故的發(fā)生，研制高技術(shù)含量的無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)十分必要，其能夠不僅能夠進(jìn)一步簡化無人駕駛飛機的操縱的過程，使指揮人員能夠熟悉無人機操作、維修技能，而且指揮人員有機會進(jìn)行反復(fù)的技能練習(xí)，使執(zhí)行的任務(wù)能夠被高效、準(zhǔn)確地完成。在無人機計算機仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng)，使無人機飛行位置、姿態(tài)以及高度，逼真、形象地顯示在指揮員眼前，幫助其掌握基本的飛行控制規(guī)律。建立完善的無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠使指揮人員在計算機前享受人機互動，通過在模擬情境中操作無人機起飛、控制無人機飛行，從而實現(xiàn)訓(xùn)練指揮人員操作技能以及遵循預(yù)定路線完成飛行演練的目的。無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的研制能夠使指揮人員在不受節(jié)能、經(jīng)濟、氣象條件等限制下，反復(fù)、高效、安全地進(jìn)行飛行演練，大大減少了訓(xùn)練費用以及提高了無人機指揮人員的動手能力。目前，設(shè)計研制的無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)不僅能夠提供評價無人機系統(tǒng)品質(zhì)的全方位仿真平臺，而且還可以構(gòu)建通用全數(shù)字的飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)模型，學(xué)員通過在發(fā)動機控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等無人機仿真模塊中進(jìn)行練習(xí)，從而對自身的操作水平得到定性定量分析，在清楚的認(rèn)知下獲得及時的查漏補缺。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)概述

無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)包括上位管理、視景仿真、地面控制以及飛行仿真4大模塊，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的4個模塊緊密相連，例如，上位管理機與地面控制臺是訓(xùn)練系統(tǒng)總體走向與流程的指揮系統(tǒng)，飛行仿真模塊作為系統(tǒng)各模塊運行的基礎(chǔ)，需要確保自身實時性、可靠性，以提高系統(tǒng)綜合效率。具體來看，四者聯(lián)系可以分為以下三個部分：首先，上位管理機需要通過無連接的數(shù)據(jù)報文方式為視景仿真以及飛行仿真系統(tǒng)發(fā)送一定的控制命令與初始化參數(shù)，并輔助訓(xùn)練員全面評估自身的訓(xùn)練情況。在上位管理機模塊中可以細(xì)化為訓(xùn)練科目、多媒體教學(xué)、視景初始化、故障模擬以及成績評估五個方面。訓(xùn)練科目主要是在初值設(shè)定的前提下負(fù)責(zé)向飛行仿真系統(tǒng)發(fā)送開始、停止訓(xùn)練的指令；多媒體教學(xué)則主要是為學(xué)員提供聲音、圖像、文字等渠道的教學(xué)模式；視景初始化擔(dān)當(dāng)為視景系統(tǒng)提供環(huán)境參數(shù)的功能，其能夠回顯目標(biāo)以及炸點位置；故障模擬能夠給飛行仿真設(shè)定無人機的各項故障指令；成績評估則能夠評定學(xué)員的訓(xùn)練情況，并將其飛行成績保存在數(shù)據(jù)庫中，以隨時隨地查閱。其次，飛行仿真與地面控制臺之間的通訊是雙向的，飛行仿真的接口軟件能夠接收地面控制臺發(fā)送的開關(guān)控制、遙調(diào)、航跡規(guī)劃、航程點更新等各個指令，并在處理后輸出無人機速度、高度、姿態(tài)、電壓電網(wǎng)、航跡偏差、控制狀態(tài)等信息，使其顯示在地面控制臺上。最后，飛行仿真在向地面控制臺輸送指令的同時也需向視景系統(tǒng)輸送相應(yīng)數(shù)據(jù)。不同種類的景物能夠組成三維場景，不同類型的模型能夠構(gòu)成虛擬仿真環(huán)境，如果三維虛擬環(huán)境中的景物種類不同，其仿真處理也應(yīng)發(fā)生相應(yīng)變化。所以視景系統(tǒng)接受的飛行仿真數(shù)據(jù)應(yīng)主要為上位管理機中設(shè)置的環(huán)境參數(shù)，以方便學(xué)員在訓(xùn)練時隨時更換訓(xùn)練場景，提高自身訓(xùn)練效果。

3 工作原理

設(shè)計的無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)主要由虛擬仿真與工控機兩個高新技術(shù)組成。一方面，虛擬仿真是借助一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，其實時性、交互性與逼真性的特征能夠為無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)提供強有力的支撐。虛擬仿真技術(shù)作為當(dāng)今研究的熱點，主要借助以計算機為核心技術(shù)的現(xiàn)代科技生成，逼真的視、聽、觸覺使學(xué)員在一定設(shè)備的輔助下能夠以自然狀態(tài)與虛擬環(huán)境中的對象進(jìn)行交互，并互相產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生等同于在真實環(huán)境中活動的體驗與感受。而在無人機訓(xùn)練系統(tǒng)中應(yīng)用的虛擬仿真技術(shù)，能夠為學(xué)員創(chuàng)造一個相互作用與反映實體變化的三維虛擬世界，并通過輔助的傳感設(shè)備，使學(xué)員直接參與探索無人機飛行時的姿態(tài)、速度等特征，以及其可以隨時更換飛行場景，提高自身指揮能力。虛擬仿真技術(shù)的實現(xiàn)主要依靠MATLAB/Simulink，并通過Simulink搭建無人機的控制模型、飛行動力學(xué)模型以及導(dǎo)航模型等，通過MATLAB開發(fā)設(shè)置仿真參數(shù)。

在無人機仿真模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，虛擬仿真技術(shù)主要由系統(tǒng)、環(huán)境、信號處理三方面組成。第一，系統(tǒng)模塊主要包含了無人機動力學(xué)、導(dǎo)航、控制以及發(fā)動機等功能模塊，首先其由制導(dǎo)功能向控制功能發(fā)出飛行軌跡姿態(tài)指令，然后針對無人機模型設(shè)計特點，計算飛行任務(wù)完成下的發(fā)動機推力調(diào)整量與舵面偏轉(zhuǎn)量，最后將這些操控數(shù)據(jù)發(fā)送到無人機動力學(xué)處，使其做出相應(yīng)調(diào)整。

第二，在環(huán)境方面仿真技術(shù)考慮了風(fēng)場、地形、大氣狀態(tài)、重力加速度等外界，在學(xué)員自行設(shè)置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)訓(xùn)練效果的全面化。第三，由于無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)能夠支持學(xué)員進(jìn)行操縱桿控制，所以要求中心系統(tǒng)在接受來自操縱桿的姿態(tài)調(diào)整、油門、升降等指令后，能夠利用模型解算接收的數(shù)據(jù)指令數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)控制無人機飛行高度與姿態(tài)，使用戶在模擬訓(xùn)練時更加方便快捷。

另一方面，無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中還需要采用以工控機為核心的電氣控制方案。工控機，全稱為工業(yè)控制計算機，其能夠在總線結(jié)構(gòu)額基礎(chǔ)上對機電設(shè)備、生產(chǎn)過程以及工藝裝備進(jìn)行控制與檢測。首先，工控機具有重要的計算機特征以及屬性，例如，其具有計算機內(nèi)存、硬盤、控制網(wǎng)絡(luò)等。其次，工控機非常特殊，其屬于一種中間產(chǎn)品，能夠為其他行業(yè)提供智能化、嵌入式的可靠配制。在無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計中引入工控機，既能夠滿足系統(tǒng)中各項性能指標(biāo)的需求，又能夠高效調(diào)節(jié)發(fā)動機馬力等電氣設(shè)備，保證訓(xùn)練的正常進(jìn)行。首先，由于工控機的機箱采用鋼結(jié)構(gòu)，所以其能夠防止學(xué)員在進(jìn)行無人機指揮訓(xùn)練時因磁、塵、沖擊等客觀因素而被迫停止的現(xiàn)象發(fā)生，其對于保證學(xué)員訓(xùn)練評估成績的準(zhǔn)確性具有重要意義；其次，工控機采用標(biāo)準(zhǔn)機箱，其具有專用電源以及安有ISA與PCI插槽的專用底板，保證了電源較強的抗干擾能力，實現(xiàn)了無人機仿真訓(xùn)練的有序、高效性；最后，工控機能夠連續(xù)長時間作業(yè)，使得學(xué)員在進(jìn)行無人機仿真訓(xùn)練時不會受到意外終止的威脅。工控機在無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用在提高訓(xùn)練效果方面具有重要意義。

4 功能模塊

無人機仿真系統(tǒng)可以劃分為11個功能模塊：第一，運動學(xué)特性仿真模塊，其仿真步長限制在10 m/s內(nèi)，主要利用系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)學(xué)模型程序進(jìn)行實現(xiàn)。對于計算機而言，仿真訓(xùn)練系統(tǒng)大約需要每隔55 ms就發(fā)生一次硬件中斷，如果利用傳統(tǒng)定時器控制中斷，顯然其無法滿足仿真周期的高精度，所以在運動學(xué)特性仿真模塊中需要采用精確的多媒體定時器，通過事先在程序中設(shè)定無人機位置、爬升率等仿真初值，使得各評價參數(shù)能夠在準(zhǔn)確的初值上得以解算與累加。第二，TCP/IP協(xié)議通信模塊。在無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中可以將兩臺計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置為TCP/IP協(xié)議，在結(jié)合多線程以及廣播方式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運行，為解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題奠定了堅實基礎(chǔ)。第三，故障設(shè)置模塊。為了能夠提高指揮人員的應(yīng)變能力，在進(jìn)行訓(xùn)練時可以使學(xué)員在該模塊中體驗一定的應(yīng)急事故處理。在故障設(shè)置模塊的存在可以將指令失效、發(fā)動機停車、目標(biāo)失蹤等意外情況融入到訓(xùn)練過程的任意時段之中，確保仿真訓(xùn)練的全面性。第四，指令輸入與顯示模塊，其不僅能夠直接接受到接收機中的數(shù)據(jù)信息，并及時將其中的指令名稱以及時間進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，而且其能夠在發(fā)射面板的用戶界面向外發(fā)送模擬遙控指令。一般地，可以將接收的接收機中的實時指令再通過隔離型數(shù)字量輸入板以及電平轉(zhuǎn)換接口卡之后引入到計算機額總線擴展槽，以及時采集實時指令。第五，航路規(guī)劃，設(shè)定模塊。在現(xiàn)實情境中，指揮人員需要在執(zhí)行無人機飛行任務(wù)前根據(jù)實際環(huán)境以及任務(wù)類型規(guī)劃、制定航行路線。所以，在仿真訓(xùn)練中設(shè)置該模塊，能夠更加貼合現(xiàn)實，指揮人員在訓(xùn)練前可以先在模擬飛行區(qū)域中編輯、顯示航線，并以文件的形式將制定的航線保存在計算機中，為之后的虛擬訓(xùn)練做好充足準(zhǔn)備。第六，飛行數(shù)據(jù)顯示模塊。在仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中一共有數(shù)字與儀表兩種顯示方式，數(shù)字顯示更為準(zhǔn)確，能夠有效訓(xùn)練指揮人員的精確領(lǐng)航能力；儀表顯示是在標(biāo)準(zhǔn)航空儀表盤的使用下為指揮人員創(chuàng)造身臨其境的感覺。第七，氣象設(shè)置模塊。在現(xiàn)實情境中，不同的氣象條件均會對無人機的飛行航線產(chǎn)生程度不一的影響，特別是風(fēng)向、風(fēng)力等氣象條件直接影響著無人機的航跡。在無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中涉及氣象設(shè)置模塊，能夠有效、靈活地設(shè)置學(xué)員訓(xùn)練過程中的氣象條件，保障其飛行指揮能力的全面提升。第八，飛行航跡顯示模塊，其既能顯示事先制定的航線，也能顯示飛行區(qū)域的航跡，使指揮人員能夠準(zhǔn)確做出航線調(diào)整的判斷。除此以外，該模塊還能顯示指定航線與無人機位置間的偏航距。第九，飛行過程回放軟件。該軟件能夠使幫助學(xué)員在訓(xùn)練結(jié)束后回放整個的飛行過程，使學(xué)員能夠在觀看中及時糾正錯誤操作，總結(jié)訓(xùn)練成果，以最大限度地提升學(xué)員的專業(yè)素質(zhì)。第十，飛行數(shù)據(jù)記錄軟件，其主要記錄相應(yīng)時刻下的飛行參數(shù)，并且為了能夠事后對訓(xùn)練過程進(jìn)行評估，分析，這些參數(shù)均會以二進(jìn)制格式進(jìn)行保存。第十一，結(jié)果評估軟件，其具有客觀評估訓(xùn)練結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)，在此標(biāo)準(zhǔn)下，該模塊能夠找出每次訓(xùn)練中的錯誤，在將其與任務(wù)要求做比之后評判學(xué)員訓(xùn)練成績，并告知學(xué)員問題出處。

5 結(jié)論與成果特點

總而言之，在無人機訓(xùn)練中設(shè)計仿真系統(tǒng)，能夠在展現(xiàn)室內(nèi)訓(xùn)練大型武器裝備的同時將訓(xùn)練風(fēng)險以及損耗降到最低，從而促進(jìn)學(xué)員指揮能力的能力。在原有訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行一定的仿真改造，真正實現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)與工控體計算機的相互融合與滲透，在滿足系統(tǒng)仿真度與精度的前提下明顯縮短學(xué)員掌握操作時間，例如，在飛行姿態(tài)調(diào)整訓(xùn)練中，學(xué)員原有的操作領(lǐng)會時間為35 min，但是在引入仿真訓(xùn)練系統(tǒng)后則縮短至現(xiàn)在的15 min，為實際教學(xué)中帶來良好效果。尤其是無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中的任務(wù)載荷仿真，其能夠精確模擬實際偵察任務(wù)中無人機的各項動作，并及時向圖像生成系統(tǒng)實時傳輸生成的一系列數(shù)據(jù)，通過利用LOD技術(shù)，使得場景的幾何復(fù)雜性能夠在畫面視覺效果不受影響的前提下進(jìn)行一定簡化，從而實現(xiàn)計算效率的大大提高。無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)常常先用小波分析方法對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波，以有效防止抖動現(xiàn)象的出現(xiàn)。投入使用設(shè)計的無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，能夠使學(xué)員在參與訓(xùn)練時體驗真實情境，訓(xùn)練自身指揮無人機起飛、著陸以及按航線飛行的快感，并利用三維圖景對偵查的信息進(jìn)行觀察，全方位搜索控制任務(wù)偵察平臺。所以，可以說無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的使用能夠給學(xué)員訓(xùn)練更加直觀、逼真以及舒適的感覺，在反復(fù)訓(xùn)練中達(dá)到操縱熟練額基本目的，為提高操縱人員訓(xùn)練效率，實現(xiàn)新型無人機的廣泛應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

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