無(wú)人機(jī)飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)建模及實(shí)現(xiàn)

王智超　胡溥瑞

針對(duì)無(wú)人機(jī)操作手日常訓(xùn)練的成本限制和環(huán)境限制，文中設(shè)計(jì)了一種飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。介紹了該系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，建立了飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)計(jì)算數(shù)學(xué)模型、控制模型和訓(xùn)練仿真數(shù)據(jù)庫(kù)模型。在Windows系統(tǒng)中采用基于Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境用C#語(yǔ)言和VC++中的ATL控件技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛行仿真軟件，并通過(guò)仿真驗(yàn)證，取得了較好的訓(xùn)練效果。

無(wú)人機(jī)是無(wú)人駕駛飛機(jī)（ Unmanned Aerial Vchicle）的簡(jiǎn)稱，它是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，機(jī)上無(wú)人駕駛，可重復(fù)使用的航空器。隨著無(wú)人機(jī)駕駛技術(shù)的發(fā)展以及無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)操作手越來(lái)越受到重視。而培養(yǎng)一名合格的操作手需要大量的訓(xùn)練，傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法要使用真實(shí)的無(wú)人機(jī)訓(xùn)練，資金和物資消耗很大，并且用真實(shí)的無(wú)人機(jī)飛行對(duì)于特定的環(huán)境和狀態(tài)不能進(jìn)行反復(fù)的演練。

針對(duì)這種情況，本文提出了一種無(wú)人機(jī)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真建模方法，闡述了該訓(xùn)練仿真模型的建立理論及方法，并開(kāi)發(fā)出了某型無(wú)人機(jī)飛行訓(xùn)練系統(tǒng)的仿真模型。

系統(tǒng)總體模型及實(shí)現(xiàn)

某型無(wú)人機(jī)飛行訓(xùn)練仿真系統(tǒng)主要由模型計(jì)算機(jī)、視景計(jì)算機(jī)和控制計(jì)算機(jī)三部分組成。其中模型計(jì)算機(jī)和視景計(jì)算機(jī)直接面向操作手，供操作手實(shí)際操作訓(xùn)練使用;控制計(jì)算機(jī)主要供無(wú)人機(jī)的教練員操控，可直接讀取和修改數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，可為操作手設(shè)置訓(xùn)練科目及飛行故障，為操作手打分。本系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，各個(gè)客戶端計(jì)算機(jī)分別運(yùn)行不同的系統(tǒng)。三臺(tái)計(jì)算機(jī)相互間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，以百兆以太網(wǎng)方式連接到局域網(wǎng)，總體模型框圖如圖1所示。

（1）視景計(jì)算機(jī)主要任務(wù)是負(fù)責(zé)顯示無(wú)人機(jī)機(jī)載攝像頭的回傳圖像，即模擬真實(shí)無(wú)人機(jī)在飛行中，由圖傳鏈路回傳的圖像。視景計(jì)算機(jī)顯示的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通訊直接從控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)終端獲取并顯示。

（2）模型計(jì)算機(jī)主要用來(lái)模擬操作手操控界面，即真實(shí)的模擬仿真某無(wú)人機(jī)地面控制站操控軟件，包括主界面外觀、飛機(jī)參數(shù)顯示、儀表盤系統(tǒng)顯示、地圖信息顯示、操作輸入系統(tǒng)顯示、航跡航點(diǎn)管理等功能。真實(shí)的體現(xiàn)操作手的人機(jī)交互操作。模型計(jì)算機(jī)有動(dòng)力學(xué)模型仿真模塊，因此動(dòng)力學(xué)計(jì)算、飛行參數(shù)顯示、飛機(jī)操控等都由這個(gè)計(jì)算機(jī)完成。

（3）控制計(jì)算機(jī)主要用來(lái)供教練員使用，教練員可以控制整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)始、暫停及回放，設(shè)置操作手的訓(xùn)練內(nèi)容及訓(xùn)練環(huán)境，設(shè)置無(wú)人機(jī)的故障指令，對(duì)操作手操作情況進(jìn)行評(píng)定給出成績(jī)，并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。在該計(jì)算機(jī)上，可以實(shí)時(shí)仿真顯示3D飛機(jī)模型在三維空間的各種飛行姿態(tài)。通過(guò)視景切換，教練員可以在控制計(jì)算機(jī)上切換到操作手操控界面，實(shí)時(shí)觀看操作手操作過(guò)程。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)將訓(xùn)練的各種數(shù)據(jù)資料進(jìn)行存儲(chǔ)管理，資料內(nèi)容包括無(wú)人機(jī)飛行原始參數(shù)數(shù)據(jù)管理、飛行航點(diǎn)管理、飛行航線管理、操作手信息管理、無(wú)人機(jī)記錄管理和評(píng)分系統(tǒng)管理等。

（5）網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)責(zé)三合計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)采用無(wú)連接的數(shù)據(jù)報(bào)文方式（即UDP協(xié)議），三臺(tái)計(jì)算機(jī)程序中網(wǎng)絡(luò)通訊模塊都是由UDP類來(lái)完成的。

模型構(gòu)建

軟件實(shí)現(xiàn)

該飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)涉及到軟件編程和數(shù)學(xué)建模，飛行仿真系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型相當(dāng)繁雜，為了提高效率，增強(qiáng)系統(tǒng)的可移植性和可維護(hù)性，采用面向?qū)ο蟮木幊趟枷脒M(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體分析，合理的劃分軟件的系統(tǒng)模塊。根據(jù)系統(tǒng)功能和軟件編程實(shí)現(xiàn)方式，劃分了視景仿真模塊、數(shù)據(jù)解算模塊以及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。

視景仿真模塊采用基于Visual Studio開(kāi)發(fā)環(huán)境的XNA技術(shù)，采用C#編程語(yǔ)言。XNA是Microsoft Visual Studio集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ IDE）的一個(gè)擴(kuò)展，它也是微軟繼DirectX之后開(kāi)發(fā)的又一個(gè)主要用于三維圖形程序的軟件?？梢詫?shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的渲染，如天空、地形、機(jī)場(chǎng)、植被等模型的加載與顯示;特效方面的顯示，包括雨、雪、霧、陰影以及飛行仿真常用的尾焰核爆炸等。

數(shù)據(jù)解算模塊采用基于面向?qū)ο蟮腣C++編程語(yǔ)言，建立飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)模型。采用微軟ATL組件技術(shù)及面向?qū)ο蠼７椒▽?duì)飛行動(dòng)力學(xué)計(jì)算算法進(jìn)行分類，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)飛行動(dòng)力學(xué)計(jì)算組件，用于飛行仿真系統(tǒng)的研發(fā)。由于組件具有良好的模塊化、可重用性、可擴(kuò)充性及跨平臺(tái)應(yīng)用等特點(diǎn)，本系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)解算模塊可以在不同仿真平臺(tái)上應(yīng)用。

數(shù)據(jù)庫(kù)模塊采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)，使用ADO.NET實(shí)現(xiàn)，用連接類SqIConnection創(chuàng)建連接。要打開(kāi)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，需要提供某種形式的連接參數(shù)，這些參數(shù)在數(shù)據(jù)庫(kù)配置文件中存放。

飛行動(dòng)力學(xué)模型

無(wú)人機(jī)動(dòng)力學(xué)模型的建立是依據(jù)飛機(jī)飛行動(dòng)力學(xué)原理和自動(dòng)控制理論，通過(guò)VC++編程進(jìn)行仿真計(jì)算。在這一模塊中，利用了VC++中的ATL（ ActiveTemplate Library）控件技術(shù)，把這一模塊中的功能封裝成COM組件，為其他模塊提供所需要的服務(wù)接口。最終將以.dll文件格式輸出，顯示功能模塊可以調(diào)用此文件，來(lái)獲取COM提供的服務(wù)。利用這一技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了程序的安全性，外部只能提供或者調(diào)用該模塊的數(shù)據(jù)，而無(wú)法修改該模塊的功能，同時(shí)具有很好的跨平臺(tái)性和移植性。在版本更新時(shí)，在接口不變的前提下系統(tǒng)將不用做出修改，只需將組件替換成最新版本即可，完全符合面性對(duì)象思想，便于后期維護(hù)。

在這一模塊中，建立了控制類Control和飛行類Dynamic兩個(gè)基本類。由飛行類解算飛機(jī)的實(shí)時(shí)姿態(tài)和位置，提供給控制類使用。而由控制類根據(jù)飛機(jī)的實(shí)時(shí)飛行情況和控制標(biāo)識(shí)符操縱飛機(jī)的飛行，通過(guò)控制參數(shù)反饋給飛行類，循環(huán)解算飛機(jī)飛行。同時(shí)控制類也提供了用戶需要的輸入、輸出接口供其他模塊使用。該模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)交換和運(yùn)作過(guò)程如圖2所示，

飛行類解算模型

動(dòng)力學(xué)解算仿真模型是整個(gè)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流解算核心模塊，系統(tǒng)無(wú)人機(jī)的實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)以及狀態(tài)參數(shù)都是通過(guò)該模塊解算，因此建立合適的動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型尤為重要。在建立動(dòng)力學(xué)解算數(shù)學(xué)模型時(shí)，我們假設(shè)飛機(jī)是剛體，地面坐標(biāo)視為慣性坐標(biāo)，視地球表面為平面，并且重力加速度不隨飛行高度的變化而變化，根據(jù)牛頓第二定律建立六自由度動(dòng)力學(xué)微分方程，再由飛機(jī)受到的合外力和力矩得到飛機(jī)的加速度和角加速度，逐步對(duì)時(shí)間的積分進(jìn)而得到飛機(jī)位置和姿態(tài)，如圖3所示。

這里飛機(jī)受到的合外力包括氣動(dòng)力、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、地面滑跑時(shí)作用于起落架上的摩擦力以及飛機(jī)的自身重力;合外力矩包括氣動(dòng)力矩、發(fā)動(dòng)機(jī)力矩以及地面滑跑時(shí)起落架力矩等。其中，氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩是通過(guò)給定無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)系數(shù)表計(jì)算得到，發(fā)動(dòng)機(jī)推力和力矩是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)原始性能參數(shù)數(shù)據(jù)表計(jì)算，這些數(shù)據(jù)表都是飛機(jī)的原始試飛曲線或風(fēng)洞中的吹風(fēng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能更好的仿真飛機(jī)性能。

控制類模型

控制固定翼飛機(jī)的飛行過(guò)程主要通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)來(lái)操縱飛機(jī)的舵面與油門開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)論是有人機(jī)還是無(wú)人機(jī)。通常我們利用副翼、方向舵、升降舵及油門舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制。其中副翼、方向舵、升降舵及油門桿的偏轉(zhuǎn)角分別用δx、δv、δz和δb來(lái)表示，作為被控對(duì)象的飛機(jī)，我們把姿態(tài)控制中的三個(gè)姿態(tài)角ν（滾轉(zhuǎn)角）、6（俯仰角陽(yáng)y（偏航角）以及航跡控制中飛行高度H、Zd相對(duì)位置和飛行速度V作為被控量。

以無(wú)人機(jī)的縱向姿態(tài)俯仰角控制回路為例，當(dāng)進(jìn)行俯仰給定或保持時(shí)，該功能將當(dāng)前無(wú)人機(jī)的俯仰角姿態(tài)作為基準(zhǔn)予以保持，任何相對(duì)于該基準(zhǔn)的俯仰角姿態(tài)變化都會(huì)通過(guò)俯仰角控制回路立刻予以修正。俯仰角控制回路原理如圖4所示。

由俯仰角控制回路原理圖可以得到無(wú)人機(jī)的俯仰角給定與保持控制率：

俯仰角控制回路主要是控制無(wú)人機(jī)的爬升和下滑性能，來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的飛行性能。首先通過(guò)俯仰角指令給定俯仰角，與當(dāng)前俯仰角差值，結(jié)合飛機(jī)實(shí)際俯仰角速率作為控制輸入量，通過(guò)一些調(diào)整系數(shù)來(lái)轉(zhuǎn)變成升降舵控制指令，輸出到升降舵機(jī)來(lái)控制升降舵，從而實(shí)現(xiàn)俯仰角的控制。

飛行仿真訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)模型

利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)仿真原始數(shù)據(jù)進(jìn)行管理是研制飛行仿真系統(tǒng)時(shí)較為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。鑒于飛行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)需要大量的建模數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)進(jìn)行管理是非常必要的。尤其是氣動(dòng)數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力數(shù)據(jù)和環(huán)境大氣數(shù)據(jù)等需要采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理，在仿真中實(shí)時(shí)地進(jìn)行查詢等計(jì)算處理。氣動(dòng)數(shù)據(jù)常常是由多維數(shù)據(jù)表構(gòu)成，如何在實(shí)時(shí)環(huán)境中快速準(zhǔn)確地進(jìn)行計(jì)算關(guān)系到整個(gè)仿真系統(tǒng)的性能和逼真度。該軟件系統(tǒng)中，創(chuàng)建了一個(gè)用來(lái)存儲(chǔ)和管理原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，保證程序?qū)?shù)據(jù)高效率的調(diào)用。該數(shù)據(jù)庫(kù)由數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)索引和數(shù)據(jù)表系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示，

數(shù)據(jù)輸入是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入的程序接口。數(shù)據(jù)輸出是實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取所需數(shù)據(jù)等功能。數(shù)據(jù)索引能夠?qū)⒂麢z索的行在數(shù)據(jù)庫(kù)中快速地檢索到。數(shù)據(jù)表由一系列表單組成，是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的核心部分。我們按照飛機(jī)型號(hào)分為通用數(shù)據(jù)表和型號(hào)專用數(shù)據(jù)表。通用數(shù)據(jù)表包括大氣數(shù)據(jù)表和用戶數(shù)據(jù)等;型號(hào)專用數(shù)據(jù)表存貯的是表征無(wú)人機(jī)特征的數(shù)據(jù)表，包括該型無(wú)人機(jī)的飛機(jī)的氣動(dòng)數(shù)據(jù)表、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)表以及飛機(jī)質(zhì)量和慣性矩?cái)?shù)據(jù)表、需要設(shè)置的故障參數(shù)表等。

仿真結(jié)果

本系統(tǒng)為針對(duì)培訓(xùn)某型無(wú)人機(jī)操作手而開(kāi)發(fā)的一套仿真系統(tǒng)，仿真操作手地面站操控界面，如圖6所示，主要為系統(tǒng)提供飛行仿真中控制指令、航點(diǎn)編輯，并以圖形和文字形式反饋無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)的狀態(tài)信息;仿真無(wú)人機(jī)實(shí)時(shí)飛行姿態(tài)以及飛行環(huán)境，如圖7所示，為教練員實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)、設(shè)置飛行故障以及評(píng)估飛行操作手訓(xùn)練效果提供更直觀的操作。

結(jié)論

本文介紹了某型無(wú)人機(jī)飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，闡述了該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法。模擬了某無(wú)人機(jī)的真實(shí)的操作界面，包飛機(jī)的主界面、飛機(jī)參數(shù)顯示、儀表系統(tǒng)、地圖顯示系統(tǒng)、操作輸入系統(tǒng)、航跡航點(diǎn)管理等功能;同時(shí)按照某無(wú)人機(jī)的真實(shí)的尺寸進(jìn)行建模并在系統(tǒng)中根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)據(jù)模擬出飛機(jī)各種動(dòng)作;并加設(shè)了教練員操控界面，實(shí)現(xiàn)了故障動(dòng)態(tài)設(shè)置與模擬功能，教練員可以通過(guò)教練員終端，在操作手正在訓(xùn)練的同時(shí)，隨機(jī)觸發(fā)各種無(wú)人機(jī)的故障或非正常狀態(tài)，以訓(xùn)練操作手的應(yīng)急反應(yīng)能力。這對(duì)于評(píng)估無(wú)人機(jī)操作手的操作品質(zhì)，提高訓(xùn)練員的飛行水平，節(jié)省研制費(fèi)用有極其重要的意義。