基于飛行數(shù)據(jù)的無人機(jī)平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型

滕懷亮，李本威，高永，*，楊棟，張赟

（1.海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院，煙臺(tái)264001； 2.中國人民解放軍92074部隊(duì)，寧波315000）

隨著軍用無人機(jī)大量裝備部隊(duì)以及民用無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，專業(yè)無人機(jī)操控手的需求缺口較大，加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)操控手的基礎(chǔ)訓(xùn)練，客觀合理的評(píng)價(jià)操控手的飛行技能水平成為無人機(jī)發(fā)展應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題［1］。對(duì)飛機(jī)駕駛?cè)藛T飛行技能的評(píng)價(jià)主要有主觀法和客觀法兩種：主觀法一般由專家觀察飛行過程后對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行打分，如Kolb-Harper評(píng)價(jià)［2］；客觀法是選取飛行數(shù)據(jù)中的參數(shù)對(duì)駕駛員的飛行技能進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。主觀評(píng)價(jià)法具有實(shí)際操作簡便等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用較為廣泛，但評(píng)價(jià)結(jié)果受評(píng)價(jià)人員情緒、動(dòng)機(jī)、偏好、認(rèn)知等因素影響較大，有時(shí)不能反映飛行操縱人員的實(shí)際操作情況?？陀^評(píng)價(jià)法克服了主觀法的上述缺點(diǎn)，并隨著快速數(shù)據(jù)存取記錄器（QAR）等監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步［3］越來越受到國內(nèi)外專家的重視。

根據(jù)飛行數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確地識(shí)別飛行動(dòng)作是利用客觀法評(píng)估飛行質(zhì)量的基礎(chǔ)。在飛行動(dòng)作識(shí)別方面，張玉葉等［4］提出了一種基于主成分分析和距離判別分類的飛行動(dòng)作識(shí)別方法，沈一超等［5］利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了飛行動(dòng)作的識(shí)別，但兩種方法均需要典型飛行動(dòng)作數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)，在一定程度上限制了其應(yīng)用。

目前評(píng)估無人機(jī)自身飛行品質(zhì)和有人駕駛飛機(jī)操縱質(zhì)量的研究較多，但研究無人機(jī)地面操縱人員的操縱質(zhì)量評(píng)估的文獻(xiàn)較少。如Holmberg［6］、Cotting［7］等 提 出 了 類 似 有 人 駕 駛 飛 機(jī) 的無人機(jī)飛行品質(zhì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，但無人機(jī)本身和無人機(jī)地面操控人員屬于不同的評(píng)價(jià)對(duì)象，不可混淆；劉莉雯［8］、張龍［9］、柳 忠 起［10］等 采 用 不 同 方 法 對(duì)有人駕駛飛機(jī)飛行員的操縱質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)，但有人駕駛飛機(jī)和無人機(jī)操縱方式和操縱環(huán)境差別較大，相關(guān)評(píng)價(jià)體系不能完全適用于無人機(jī)。在無人機(jī)操縱質(zhì)量評(píng)估方面，夏長俊等［11］對(duì)無人機(jī)平飛質(zhì)量分析的主要內(nèi)容及計(jì)算分析方法做了闡述，給出了相關(guān)參數(shù)的誤差分析，但沒有給出具體的平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型。彭陽和彭曉明［12］提出了一種基于關(guān)鍵參數(shù)偏差的飛行動(dòng)作質(zhì)量分析方法，并以某型無人機(jī)“坡度45°～60°盤旋”飛行動(dòng)作為例進(jìn)行了分析。Zhou等［13］利用VIKOR方法對(duì)某型無人機(jī)的著陸質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)價(jià)。但無人機(jī)起飛、著陸、平飛、機(jī)動(dòng)等不同飛行階段，不同飛行動(dòng)作的特點(diǎn)差異較大，評(píng)價(jià)指標(biāo)和參數(shù)也應(yīng)不同。單一的評(píng)價(jià)體系難以有效評(píng)定無人機(jī)操控手不同飛行技能的好壞，所以針對(duì)不同的飛行動(dòng)作建立不同的評(píng)價(jià)體系成為需要解決的重要問題。平飛動(dòng)作是無人機(jī)地面操縱人員首先需要掌握的基礎(chǔ)技能，是考驗(yàn)無人機(jī)操控手的判斷能力、心理素質(zhì)以及操控能力的最基本的飛行動(dòng)作，本文針對(duì)無人機(jī)操控手的平飛技能評(píng)估問題，建立了無人機(jī)平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型。

1 無人機(jī)平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型的建立

無人機(jī)平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型主要包含平飛動(dòng)作識(shí)別和平飛動(dòng)作打分兩個(gè)環(huán)節(jié)，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

1.1 平飛動(dòng)作識(shí)別

飛行數(shù)據(jù)記錄了無人機(jī)在空中的飛行狀態(tài)及操控手對(duì)無人機(jī)的操作信息。根據(jù)無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)可以進(jìn)行基本飛行動(dòng)作識(shí)別［14］，從無人機(jī)飛行歷程中提取有代表性的基本飛行動(dòng)作的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

飛行動(dòng)作最終體現(xiàn)在飛行參數(shù)的響應(yīng)上，比如平飛就是無人機(jī)高度維持在某一穩(wěn)定范圍，爬升即為高度連續(xù)正變化，下滑即為高度連續(xù)負(fù)變化，所以可以根據(jù)飛行數(shù)據(jù)中的高度參數(shù)h及其變化率vh來判別飛機(jī)的平飛動(dòng)作，根據(jù)無人機(jī)平飛、爬升和下滑的不同特點(diǎn)，可以構(gòu)建出下面的判別規(guī)則：

其中：dh為高度變化率的限制值；Δhmax為平飛段的最大高度差；dalt為平飛動(dòng)作的高度判別精度。加州伯克利大學(xué)［15］的無人機(jī)自主著陸系統(tǒng)在各坐標(biāo)軸上距離誤差小于5 cm、角度誤差小于5°；李樾等［16］研究的無人機(jī)航跡跟蹤方法的精度能達(dá)到2 m以內(nèi)，本文選取dalt=2 m作為平飛動(dòng)作的高度判別精度，而高度變化率限制值應(yīng)滿足dh＜dalt，本文取dh=0.8 m/s。即飛行高度變化率穩(wěn)定在0.8 m/s以內(nèi)且高度穩(wěn)定在2 m以內(nèi)的連續(xù)數(shù)據(jù)作為平飛動(dòng)作數(shù)據(jù)。

平飛精度及高度變化率限制值的大小可以根據(jù)操控手的不同訓(xùn)練階段進(jìn)行設(shè)置，同一次評(píng)價(jià)中采用相同的平飛精度和高度變化率限制值。首先通過高度變化率限制值dh確定可能的平飛范圍，即判斷無人機(jī)飛行是否趨于穩(wěn)定狀態(tài)，然后通過平飛動(dòng)作的高度判別精度dalt進(jìn)一步判斷無人機(jī)是否處于平飛狀態(tài)。識(shí)別出的平飛數(shù)據(jù)段為時(shí)間段和對(duì)應(yīng)的飛行參數(shù)，為直觀表示平飛數(shù)據(jù)段，采用平飛時(shí)間段及其對(duì)應(yīng)的高度數(shù)據(jù)表示，如圖2所示。

1.2 評(píng)價(jià)參數(shù)選取與波動(dòng)通道的構(gòu)建

飛行數(shù)據(jù)記錄了無人機(jī)的多種飛行信息，這為評(píng)估操控手操作無人機(jī)的水平提供了重要依據(jù)。目前評(píng)估飛行員對(duì)各種飛行動(dòng)作的完成情況，主要通過對(duì)某一個(gè)或兩個(gè)飛行參數(shù)值的變化范圍進(jìn)行檢測，如果變化范圍沒有超出指定飛行動(dòng)作規(guī)定的參數(shù)值要求，那么操作合格。然而實(shí)際操作中，因?yàn)轱w機(jī)的飛行動(dòng)作取決于若干參數(shù)，所以要對(duì)飛行員操作的飛行動(dòng)作進(jìn)行正確評(píng)估，需要綜合考慮多個(gè)參數(shù)的信息。本文選取對(duì)平飛動(dòng)作較敏感的高度、速度、偏航角、滾轉(zhuǎn)角和俯仰角作為平飛動(dòng)作的評(píng)價(jià)參數(shù)，這5個(gè)參數(shù)的穩(wěn)定性能夠反映操控手控制無人機(jī)的平穩(wěn)程度，確定評(píng)價(jià)參數(shù)后，即可構(gòu)建各參數(shù)的波動(dòng)通道。

數(shù)據(jù)通道的寬窄與數(shù)據(jù)本身波動(dòng)幅度大小的變化直接相關(guān)，通道大小隨著數(shù)據(jù)的形態(tài)和趨勢(shì)自動(dòng)調(diào)整，因而也可以反映無人機(jī)平飛趨勢(shì)的變化。參考布林帶（Bollinger Band）理論［17］，布林帶一共由3條線組成：通道上限制邊界線U（t）、中軌線M（t）和下限制邊界線D（t），其表達(dá)式分別為

式中：μ（t）為均值函數(shù)；σ（t）為標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)；k為通道寬度限制值，可以根據(jù)實(shí)際情況選取，本文取k=2。依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)的相關(guān)公式，可以通過樣本函數(shù)x（t）（t=1，2，…，N）計(jì)算得到時(shí)間序列的均值函數(shù)μ（t）和標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)σ（t），繼而確定飛行數(shù)據(jù)的波動(dòng)范圍。時(shí)間序列均值函數(shù)的估計(jì)值可由下式計(jì)算得到：

均值估計(jì)函數(shù)^μ（t）和標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)函數(shù)^σ（t）在求解時(shí)要注意所選數(shù)據(jù)的窗長度，可選為連續(xù)數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)Nc，本文取Nc=20。高度數(shù)據(jù)的部分布林通道如圖3所示。

以高度參數(shù)為例，將高度數(shù)據(jù)h（t）分別與下限制邊界D（t）和中軌線M（t）作差，求兩個(gè)差值的均值，即可得到高度參數(shù)的打分值sh為

將某操控手的第i個(gè)平飛段對(duì)應(yīng)的高度數(shù)據(jù)輸入波動(dòng)通道模型，即可計(jì)算得到該操控手第i個(gè)平飛段的高度參數(shù)得分shi。因?yàn)榈梅种荡笮谋举|(zhì)上是反映了飛行數(shù)據(jù)與均值的偏離程度和方差大小，所以平飛數(shù)據(jù)段得分值越低，表示操控手的平飛質(zhì)量越好。

1.3 權(quán)重系數(shù)的確定

因?yàn)椴煌w行參數(shù)對(duì)于評(píng)估操控手的權(quán)重是不同的，所以選擇客觀準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估飛行成績起著非常重要的作用。本文采用“熵權(quán)法”計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，熵權(quán)法是一種客觀的指標(biāo)權(quán)重選取方法。

設(shè)某無人機(jī)操控手一次飛行任務(wù)數(shù)據(jù)中有m個(gè)平飛段，選取飛行數(shù)據(jù)中的n個(gè)監(jiān)控參數(shù)，以Xij表示第i個(gè)平飛段的第j個(gè)參數(shù)的得分值，則各個(gè)平飛段的評(píng)價(jià)矩陣如表1所示。

平飛段 參數(shù)1 參數(shù)2 … 參數(shù)n 1 X11 X12…X1n X21 X22…X2n2 m Xm1 Xm2…X mn

由表1中的評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)組成多屬性決策矩陣：

為消除指標(biāo)間數(shù)量級(jí)不同造成的影響，對(duì)決策矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，即每個(gè)參數(shù)向量的單位化：

式中：rij為單位化后的得分值。由各參數(shù)單位向量組成新的決策矩陣R=（rij）m×n。

式中：pij為第j個(gè)參數(shù)下第i個(gè)平飛段的貢獻(xiàn)度。形成貢獻(xiàn)度矩陣P=（pij）m×n。式中：Ej為所有平飛段對(duì)參數(shù)j的貢獻(xiàn)總量。當(dāng)pij=0，定義pijln pij=0，即可求得各參數(shù)所占的權(quán)重：

該次飛行任務(wù)平飛動(dòng)作得分為

至此，無人機(jī)平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型就構(gòu)建完成了。

2 平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包含偽讀數(shù)、無效幅值去除和數(shù)據(jù)長度一致性處理。偽讀數(shù)是指數(shù)據(jù)變化超過了該參數(shù)變化的合理范圍或短時(shí)間突變，屬于噪聲、振動(dòng)或傳感器故障等原因引起的誤差，數(shù)據(jù)中的偽讀數(shù)可以采用穩(wěn)健回歸算法［18］進(jìn)行處理。提取無人機(jī)的飛行高度、經(jīng)緯度數(shù)據(jù)描述無人機(jī)整個(gè)飛行歷程在空間的航跡示意圖，如圖4所示，操控手操縱無人機(jī)升空后在100 m高度上下做四邊飛行訓(xùn)練。

飛行數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間單位為天，為便于分析處理，將其換算為秒。圖5為某無人機(jī)四邊飛行訓(xùn)練過程中飛行高度隨時(shí)間的變化情況，顯然無人機(jī)升空?qǐng)?zhí)行任務(wù)是1 000～2 400 s左右，前后兩段屬于起飛和降落階段，對(duì)平飛動(dòng)作來說屬于無效數(shù)據(jù)段，應(yīng)予以去除。對(duì)于平飛動(dòng)作的識(shí)別來說，無人機(jī)地面停留數(shù)據(jù)屬于干擾識(shí)別準(zhǔn)確度的無效值，可以通過定義最小高度hmin，刪除小于hmin的數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行處理。

無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)采集的參數(shù)只有高度和對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息，無人機(jī)高度變化率的近似計(jì)算表達(dá)式為

因各參數(shù)傳感器采集頻率不一致，在數(shù)據(jù)處理過程中需要進(jìn)行不同參數(shù)的向量長度一致性處理，長度不一致的參數(shù)可以通過插值或擬合等方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的補(bǔ)充或者刪除。本文采用了拉格朗日插值的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)長度一致性處理。拉格朗日插值函數(shù)為式中：xi和yi分別為第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。

圖4 無人機(jī)航跡圖Fig.4 UAV path map

圖5 高度隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of height with time

插值前后數(shù)據(jù)對(duì)比如圖6所示，米字符代表插值點(diǎn)數(shù)據(jù)，空心圓代表原始數(shù)據(jù)。

圖6 高度變化率插值結(jié)果Fig.6 Interpolation results of height change rate

2.2 識(shí)別平飛動(dòng)作

根據(jù)構(gòu)建的平飛判別規(guī)則可以識(shí)別出符合該規(guī)則的平飛時(shí)間段。識(shí)別出的平飛時(shí)間段存在持續(xù)時(shí)間過短或中間存在間斷點(diǎn)的情況，選定連續(xù)飛行5 s以上的數(shù)據(jù)段作為具有代表性的平飛數(shù)據(jù)段，如表2所示。

序號(hào) 起始時(shí)間/s 結(jié)束時(shí)間/s 4 666 4 688 2 4 698 4 721 3 4 757 4 783 4 4 849 4 872 5 5428 5 457 6 5787 5 808 7 6172 6 206 8 6366 6 393 9 6674 6 699 10 6 787 6 808 11 6 871 6 892 12 7 045 7 074 13 7237 7 269 14 8089 8 114 15 8 186 8 210 16 8 266 8 300 17 8 428 8 458 18 8 662 8 698 1 19 8 852 8 888

2.3 各參數(shù)評(píng)分值及權(quán)重計(jì)算

得到平飛段后，計(jì)算各平飛時(shí)間段對(duì)應(yīng)的各參數(shù)的布林帶及得分值，分別得到高度、空速、俯仰角、偏航角和滾轉(zhuǎn)角等參數(shù)的得分值向量。經(jīng)過對(duì)操控手1的19個(gè)平飛數(shù)據(jù)段的5個(gè)飛行參數(shù)的打分，最終得到如表3所示的評(píng)分表。

在參數(shù)評(píng)分表的基礎(chǔ)上，通過熵權(quán)法確定各參數(shù)權(quán)重，通過式（11）得到操控手1的19個(gè)平飛數(shù)據(jù)段得分情況如圖7所示。

通過式（12）即可得到操控手1的最終評(píng)分值為0.208 07。

序號(hào) 高度得分速度得分俯仰得分偏航得分滾轉(zhuǎn)得分1 1.400 4 0.627 5 0.202 2 0.220 6 0.901 7 2 4.208 2 0.672 7 0.339 7 0.275 3 1.118 8 3 1.737 1 0.819 9 0.332 7 0.226 7 0.859 4 1.185 9 0.684 1 0.066 5 0.147 9 0.515 1 5 1.3078 0.5577 0.281 8 0.213 3 0.747 4 6 1.0062 0.4503 0.120 5 0.183 0.698 8 7 1.7358 0.7849 0.132 9 0.197 4 0.746 8 8 4.1395 0.564 0.152 1 0.165 5 0.674 2 9 1.528 7 0.422 2 0.086 1 0.152 7 0.527 10 1.49 2 0.462 8 0.174 0.232 8 0.773 3 11 1.0097 0.4454 0.059 3 0.163 6 0.540 6 12 0.9999 0.3718 0.130 1 0.197 4 0.704 5 13 1.9511 0.4655 0.148 8 0.201 5 0.680 9 14 2.3798 0.6412 0.065 9 0.152 3 0.483 15 1.930 5 1.171 6 0.301 9 0.367 6 1.366 6 16 1.957 7 0.594 1 0.157 8 0.191 6 0.808 9 17 3.418 5 0.724 9 0.123 6 0.209 6 1.010 2 18 0.876 7 0.595 5 0.213 0.252 8 0.955 1 19 0.653 1 0.556 6 0.118 5 0.165 8 0.646 3

圖7 操控手1得分Fig.7 Scores of Manipulator 1

3 模型驗(yàn)證與分析

4名操控手和無人機(jī)全自主控制模式執(zhí)行四邊飛行任務(wù)均在同一場地環(huán)境下進(jìn)行，風(fēng)速等天氣情況相同，突風(fēng)一定程度上會(huì)影響模型的評(píng)價(jià)結(jié)果，因?yàn)闊o法確定突風(fēng)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)而修正模型，所以模型暫時(shí)無法排除風(fēng)擾動(dòng)的影響，利用平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型計(jì)算得到各操控手的得分及排名情況如表4所示。

從各操控手得分情況可以看出，該模型可以較好地區(qū)分4位操控手平飛動(dòng)作的好壞?？紤]到操控?zé)o人機(jī)平飛時(shí)，主要強(qiáng)調(diào)操控的平衡性和穩(wěn)定性，所以可以采用無人機(jī)自主控制執(zhí)行四邊飛行任務(wù)的數(shù)據(jù)來驗(yàn)證算法的準(zhǔn)確性。驗(yàn)證采用低空無人機(jī)航測系統(tǒng)控制的無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)的航跡跟蹤精度可達(dá)厘米級(jí)，相對(duì)4名處于訓(xùn)練狀態(tài)的無人機(jī)操控手具有更好的平飛穩(wěn)定性，通過本文的算法篩選出的平飛數(shù)據(jù)段得分如圖8所示。

從圖8可以看出，無人機(jī)自主飛行時(shí)滿足平飛動(dòng)作判別規(guī)則的數(shù)據(jù)段有49段，明顯比4位操控手的19、28、39、5段更多。而經(jīng)模型計(jì)算，無人機(jī)自主控制飛行的平均得分為0.100 78，明顯優(yōu)于4 位 操 控 手 的 得 分 0.208 07，0.170 01，0.145 02，0.35129，從側(cè)面驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性。

操控主體 得分 平飛段數(shù) 排名操控手1 0.208 07 19 第4名操控手2 0.170 01 28 第3名操控手3 0.145 02 39 第2名操控手4 0.351 29 5 第5名自主操縱 0.100 78 49 第1名

圖8 自主控制模式下的平飛數(shù)據(jù)段Fig.8 Horizontal flight data segments in autonomous control mode

4 結(jié) 論

本文通過建立平飛動(dòng)作判別規(guī)則識(shí)別無人機(jī)平飛動(dòng)作，通過建立無人機(jī)平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型評(píng)價(jià)了無人機(jī)操控手平飛動(dòng)作質(zhì)量，利用4名無人機(jī)操控手和自主控制模式飛行的無人機(jī)四邊飛行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的合理性，結(jié)果表明：

1）平飛動(dòng)作判別規(guī)則能夠有效識(shí)別平飛動(dòng)作，為平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）平飛動(dòng)作質(zhì)量評(píng)價(jià)模型能夠較好地區(qū)分不同水平操控手平飛操縱質(zhì)量的高低，可以為無人機(jī)操控手的訓(xùn)練提供參考。

后期可以針對(duì)不同的飛行動(dòng)作，建立不同的飛行動(dòng)作識(shí)別和操縱質(zhì)量評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)操控手的綜合飛行技能評(píng)估。