無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

汪玉美，劉楠楠，馮娟娟，姚寒瑜

（陸軍炮兵防空兵學(xué)院無人機(jī)應(yīng)用系，合肥 230031）

0 引 言

無人機(jī)在信息化、無人化戰(zhàn)爭中發(fā)揮了重要的作用，從保障力量躍升為主戰(zhàn)力量。深入研究無人機(jī)運(yùn)用方式并及時(shí)將研究成果融入無人機(jī)專業(yè)教學(xué)已迫在眉睫。

實(shí)驗(yàn)仿真已經(jīng)成為“兵力與經(jīng)費(fèi)的倍增器”［1］，從外軍典型無人機(jī)戰(zhàn)例來看，無人機(jī)研究領(lǐng)域的基本特征之一就是不斷地創(chuàng)新與發(fā)展，傳統(tǒng)的戰(zhàn)例分析、實(shí)兵推演等形式難以滿足教學(xué)研究需求［2-3］。無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真拓展性強(qiáng)，其可設(shè)計(jì)、可編輯、可復(fù)盤的特點(diǎn)，使得相關(guān)研究能夠靈活地根據(jù)任務(wù)需要，實(shí)時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)要素，較好地適應(yīng)無人機(jī)研究的動(dòng)態(tài)變化［4-5］。

將無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真引入教學(xué)，構(gòu)建教學(xué)平臺(tái)，模擬復(fù)雜環(huán)境，分析方案規(guī)劃，對(duì)提高未來指揮員在無人機(jī)籌劃能力方面具有重要作用［6-7］?；诖?，本文設(shè)計(jì)了無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)，為學(xué)員提供軟件仿真環(huán)境，提升學(xué)員解決無人機(jī)相關(guān)問題的能力，培養(yǎng)無人機(jī)應(yīng)用的創(chuàng)新意識(shí)。

1 無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，采用分布式技術(shù)［8-9］，使平臺(tái)各組成部分有序連接，通過模塊間的數(shù)據(jù)交互，客觀形象地構(gòu)建出無人機(jī)方案推演過程，幫助學(xué)員演示、設(shè)計(jì)、分析、創(chuàng)新無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃［10-11］。該教學(xué)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

在無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)中，分布式仿真引擎采用組件化建模與離散事件仿真技術(shù)，采用時(shí)間和離散事件混合推進(jìn)方式，對(duì)仿真事件進(jìn)行周期性和非周期性的調(diào)度，負(fù)責(zé)服務(wù)接口、模型接口、事件管理器、時(shí)間管理器和仿真想定加載器的創(chuàng)建和維護(hù)；模型開發(fā)主要用于設(shè)計(jì)、生成仿真組件模型和實(shí)體模型，通過圖形化建模方式，添加屬性、方法和需要處理的消息，生成模型代碼；模型裝配主要基于組件化建模思想，根據(jù)建模對(duì)象的實(shí)際性能，完成組件模型的參數(shù)設(shè)置，再“組裝”這些組件生成可部署的實(shí)體模型；想定編輯主要用于創(chuàng)建和管理仿真想定，完成環(huán)境和實(shí)體地部署；想定運(yùn)行解析想定編輯中設(shè)定的流程，由分布式仿真引擎執(zhí)行，可對(duì)單線程運(yùn)行、指定隨機(jī)數(shù)種子、人在回路、運(yùn)行完畢后自動(dòng)回放等進(jìn)行選配；數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)主要完成分布式數(shù)據(jù)中繼、提供統(tǒng)一仿真時(shí)間、管理聯(lián)邦和聯(lián)邦內(nèi)的成員；二維、三維態(tài)勢(shì)主要對(duì)態(tài)勢(shì)進(jìn)行形象直觀展示和控制；效能分析評(píng)估主要根據(jù)推送的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)無人機(jī)完成任務(wù)的效能或是規(guī)劃方案進(jìn)行分析評(píng)估。

2 無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 分布式仿真引擎設(shè)計(jì)

分布式仿真引擎主要由時(shí)間管理器、事件管理器和其他接口服務(wù)組成。引擎運(yùn)行時(shí)，事件管理器執(zhí)行仿真模型提交的事件，時(shí)間管理器負(fù)責(zé)裁決事件管理器提交事件的時(shí)間有效性，并批準(zhǔn)符合執(zhí)行條件的事件執(zhí)行，隨著仿真事件的不斷執(zhí)行，推動(dòng)仿真時(shí)間前進(jìn)，直至結(jié)束。其他接口服務(wù)主要為模型和數(shù)據(jù)提供支撐，包括對(duì)象管理、服務(wù)管理、環(huán)境管理、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果裁決和地形服務(wù)等。分布式仿真引擎總體設(shè)計(jì)如圖2 所示。時(shí)間管理器、事件管理器和仿真模型三者之間的交互關(guān)系如圖3 所示。

圖2 分布式仿真引擎總體設(shè)計(jì)

圖3 時(shí)間管理器、事件管理器和仿真模型交互關(guān)系

仿真引擎包含多個(gè)事件管理器，每個(gè)事件管理器維護(hù)一個(gè)獨(dú)立的事件隊(duì)列，隊(duì)列中可存在多個(gè)仿真實(shí)體和組件模型提交的事件。時(shí)間管理器扮演仲裁者的角色，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)多個(gè)事件隊(duì)列的事件同步，待執(zhí)行事件都必須向時(shí)間管理器提交執(zhí)行請(qǐng)求，根據(jù)時(shí)間、優(yōu)先級(jí)決定是否能執(zhí)行。若多個(gè)事件的時(shí)間、優(yōu)先級(jí)一樣時(shí)，通過隊(duì)列的并發(fā)設(shè)計(jì)，使多個(gè)事件同時(shí)執(zhí)行以提高仿真運(yùn)行效率。

2.2 模型開發(fā)模塊設(shè)計(jì)

模型開發(fā)模塊主要由模型視圖設(shè)計(jì)、組件／實(shí)體建模和代碼生成組成。模型視圖設(shè)計(jì)主要以圖標(biāo)的形式管理組件和實(shí)體模型提供編輯和排列的功能，如圖4所示。組件／實(shí)體建模主要是以圖形化方式建模，通過選擇繼承的父類，添加屬性、方法、接口以及能處理的消息、態(tài)勢(shì)、指令進(jìn)行建模，如圖5 所示。實(shí)體模型能對(duì)消息和態(tài)勢(shì)進(jìn)行處理，組件模型僅對(duì)指令進(jìn)行處理，定義消息如圖6 所示，態(tài)勢(shì)與指令的定義與消息類似。代碼生成主要是為建模內(nèi)容創(chuàng)建VC開發(fā)環(huán)境下的模型項(xiàng)目，并生成C＋＋代碼，生成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件應(yīng)用到模型裝配模塊（見2.3）。

圖4 模型視圖設(shè)計(jì)

圖5 組件／實(shí)體建模

圖6 自定義消息

2.3 模型裝配模塊設(shè)計(jì)

模型裝配模塊主要由組件模型實(shí)例化和實(shí)體模型組裝組成。模型實(shí)例化主要完成組件模型的型號(hào)化，根據(jù)建模對(duì)象的實(shí)際性能，通過輸入具體的參數(shù)進(jìn)行配置，生成型號(hào)化組件。實(shí)體模型組裝仍按建模對(duì)象的真實(shí)構(gòu)成，選擇相對(duì)應(yīng)的組件模型實(shí)例進(jìn)行組裝，構(gòu)成能在想定編輯模塊（見2.4）中部署的實(shí)體模型，如圖7 所示。

2.4 想定編輯模塊設(shè)計(jì)

想定編輯模塊主要由想定管理、實(shí)體資源管理組成。想定管理用于創(chuàng)建、加載和維護(hù)仿真想定，提高想定編輯效率，以便快速形成仿真想定。實(shí)體資源管理主要為想定編輯人員提供可視化的部署環(huán)境，對(duì)部署實(shí)體和資源的基本信息和相互關(guān)系等信息進(jìn)行管理維護(hù)，是想定編輯模塊的核心，如圖8 所示。

圖8 想定編輯主界面

2.5 態(tài)勢(shì)顯示模塊設(shè)計(jì)

態(tài)勢(shì)顯示模塊主要由二維態(tài)勢(shì)和三維態(tài)勢(shì)組成。二維態(tài)勢(shì)是對(duì)推演態(tài)勢(shì)進(jìn)行二維展示，根據(jù)關(guān)注的時(shí)間或地點(diǎn)控制態(tài)勢(shì)的進(jìn)展，如圖9 所示。三維態(tài)勢(shì)是對(duì)仿真過程的三維呈現(xiàn)，仿真更貼近現(xiàn)實(shí)，觀察人員能更直觀、友好地觀察總體形勢(shì)，如圖10 所示。

圖9 二維態(tài)勢(shì)顯示

圖10 三維態(tài)勢(shì)顯示

2.6 數(shù)據(jù)分發(fā)模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分發(fā)模塊主要由數(shù)據(jù)中繼和時(shí)間協(xié)調(diào)服務(wù)模塊組成。數(shù)據(jù)中繼是想定運(yùn)行、仿真引擎、態(tài)勢(shì)顯示以及效能評(píng)估數(shù)據(jù)之間交互的中轉(zhuǎn)樞紐，如圖11 所示。時(shí)間協(xié)調(diào)主要負(fù)責(zé)控制、協(xié)調(diào)統(tǒng)一模塊之間仿真時(shí)間的同步，如圖12 所示。

圖11 數(shù)據(jù)中繼服務(wù)

圖12 時(shí)間協(xié)調(diào)服務(wù)

2.7 效能分析評(píng)估模塊設(shè)計(jì)

效能分析評(píng)估模塊主要由數(shù)據(jù)抽取、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表生成等部分組成，對(duì)仿真運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，支持評(píng)估指標(biāo)的自定義動(dòng)態(tài)構(gòu)建，如圖13 所示。數(shù)據(jù)抽取是按一定標(biāo)準(zhǔn)格式從想定運(yùn)行數(shù)據(jù)中抽取需要參與評(píng)估的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析是根據(jù)評(píng)估算子對(duì)抽取的數(shù)據(jù)進(jìn)行各類計(jì)算，計(jì)算結(jié)果交報(bào)表生產(chǎn)單元進(jìn)行多樣化展示［11-12］。

圖13 效能分析評(píng)估

3 無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用

以基于貪心算法的無人機(jī)航跡規(guī)劃為例，說明該實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)在實(shí)際教學(xué)中的應(yīng)用［12-15］。

3.1 基于貪心算法的無人機(jī)航跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 偵察目標(biāo)任務(wù)

結(jié)合具體問題展開無人機(jī)仿真教學(xué)，設(shè)某無人機(jī)部隊(duì)配屬4 個(gè)無人機(jī)基地，分別是P01、P02、P03、P04，每個(gè)基地裝備2 架某型無人機(jī)，對(duì)10 個(gè)目標(biāo)群共68個(gè)目標(biāo)進(jìn)行偵察，每個(gè)目標(biāo)群均配屬雷達(dá)，且開機(jī)對(duì)空警戒，其坐標(biāo)信息見表1。設(shè)定的偵察目標(biāo)任務(wù)：為FY型無人機(jī)完成10 個(gè)目標(biāo)群的偵察任務(wù)擬制最佳航跡路線和無人機(jī)調(diào)度策略，以保證偵察無人機(jī)滯留雷達(dá)有效探測(cè)范圍內(nèi)的時(shí)間總和最短。

3.1.2 約束和假設(shè)條件

結(jié)合具體目標(biāo)任務(wù)，給出約束條件：

（1）無人機(jī)巡航飛行速度為180 km／h，巡航飛行高度為3 km。

（2）無人機(jī)只攜帶光電載荷，對(duì)地有效探測(cè)范圍半徑為10 km。

（3）無人機(jī)對(duì)每個(gè)目標(biāo)群的各目標(biāo)至少偵察一次。

（4）執(zhí)行完任務(wù)后無人機(jī)需返回原基地。

（5）目標(biāo)群配屬的雷達(dá)對(duì)無人機(jī)的有效探測(cè)距離為50 km。

為簡化問題，給出3 個(gè)假設(shè)條件：

（1）無人機(jī)勻速飛行。

（2）所有的目標(biāo)優(yōu)先級(jí)相同。

（3）無人機(jī)經(jīng)過目標(biāo)，即被發(fā)現(xiàn)。

有了以上條件，目標(biāo)任務(wù)就可以等價(jià)為：“無人機(jī)在雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)的路徑總和最短”，這就將問題轉(zhuǎn)化為利用貪心算法求解旅行商問題。

3.1.3 設(shè)計(jì)偵察策略

從10 個(gè)目標(biāo)群68 個(gè)目標(biāo)的位置分布，可發(fā)現(xiàn)目標(biāo)群內(nèi)的目標(biāo)分布的較為密集，目標(biāo)群之間分布較為松散，這樣可將航跡規(guī)劃劃分為2 個(gè)層次來解決。第1 層次，在保證探測(cè)到其內(nèi)部每一個(gè)目標(biāo)的前提下，求解出目標(biāo)群內(nèi)的最短路徑；第2 層次，宏觀上將每個(gè)目標(biāo)群視為1 個(gè)節(jié)點(diǎn)（以雷達(dá)站坐標(biāo)為參考坐標(biāo)），在10個(gè)目標(biāo)群總尋求一條最短路徑。將群間、群內(nèi)的最短路路徑全局優(yōu)化，結(jié)合各無人機(jī)基地的具體坐標(biāo)信息，確定無人機(jī)的分配和每架無人機(jī)的航跡規(guī)劃。

3.2 基于貪心算法的無人機(jī)航跡規(guī)劃實(shí)驗(yàn)實(shí)施

3.2.1 貪心算法計(jì)算最短路徑

利用模型開發(fā)模塊的框架，編程實(shí)現(xiàn)貪心算法的基本思想，通過分層次輸入各目標(biāo)群或目標(biāo)的坐標(biāo)信息，計(jì)算出若干條滿足條件的最短路徑，結(jié)合各無人機(jī)基地的位置信息，利用貪心算法局部尋優(yōu)原則，確定無人機(jī)的分配，得出一條基于貪心算法的航跡規(guī)劃，即一系列航跡點(diǎn)的坐標(biāo)。

3.2.2 仿真平臺(tái)分析航跡規(guī)劃

利用模型裝配模塊將涉及目標(biāo)、雷達(dá)、無人機(jī)等實(shí)體進(jìn)行組裝，利用想定編輯模塊部署4 個(gè)無人機(jī)基地、8 架無人機(jī)、10 個(gè)雷達(dá)站和68 個(gè)目標(biāo)等實(shí)體，為調(diào)度的2 架無人機(jī)設(shè)定具體巡航點(diǎn)，具體坐標(biāo)依據(jù)貪心算法程序計(jì)算得出的航跡點(diǎn)。爾后運(yùn)行想定，觀察推演的二維、三維態(tài)勢(shì)，如圖14、15 所示（黑色線為實(shí)際飛行路徑，紅色是規(guī)劃路徑），設(shè)置效能分析評(píng)估模塊，統(tǒng)計(jì)無人機(jī)飛行距離和時(shí)間（見表2）。

表2 優(yōu)化前無人機(jī)飛行距離和時(shí)間

圖14 貪心算法航跡規(guī)劃二維態(tài)勢(shì)顯示

圖15 貪心算法航跡規(guī)劃三維態(tài)勢(shì)顯示

由仿真結(jié)果可見，無人機(jī)并沒有完全按照設(shè)定的航跡飛行，存在偏離，甚至在目標(biāo)群內(nèi)偵察時(shí)，飛行航跡略顯混亂，分析其原因，主要是在規(guī)劃路徑時(shí)，忽略了2 個(gè)問題：一是未考慮無人機(jī)的轉(zhuǎn)彎半徑，二是未考慮光電載荷的有效偵察范圍。

3.2.3 優(yōu)化完善實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)

針對(duì)仿真結(jié)果的表現(xiàn)，需對(duì)設(shè)計(jì)航跡進(jìn)一步的優(yōu)化。①對(duì)航跡進(jìn)行平滑處理，這里采用繞點(diǎn)平滑，即不經(jīng)過原規(guī)劃航跡點(diǎn)的平滑，較適合實(shí)際飛行情況。②考慮到無人機(jī)攜帶的光電載荷有效偵察半徑為10 km，采用三角法對(duì)目標(biāo)群內(nèi)的偵察序列進(jìn)行優(yōu)化，即依次選取A、B、C點(diǎn)，由3 個(gè)點(diǎn)構(gòu)成三角形，判斷B 點(diǎn)與點(diǎn)A、C 之間的距離是否在有效偵察范圍內(nèi)，若為真，則B 點(diǎn)可以從航跡點(diǎn)中去掉；若為假，繼續(xù)往下推進(jìn)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直至覆蓋所有的節(jié)點(diǎn)，最后留下的航跡點(diǎn)則是最優(yōu)序列。

根據(jù)優(yōu)化策略修改想定，運(yùn)行后其二維態(tài)勢(shì)如圖16 所示，克服了之前出現(xiàn)的問題，飛行時(shí)間和距離也較之前更短，如表3 所示。

表3 優(yōu)化后無人機(jī)飛行距離和時(shí)間

圖16 優(yōu)化后航跡的二維顯示

4 結(jié) 語

本文針對(duì)傳統(tǒng)分析戰(zhàn)例、實(shí)戰(zhàn)推演方式無法滿足無人機(jī)的教學(xué)研究，設(shè)計(jì)了無人機(jī)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，該平臺(tái)在分布式無人機(jī)作戰(zhàn)仿真引擎的基礎(chǔ)上，集成了模型開發(fā)、模型裝配、想定編輯、數(shù)據(jù)分發(fā)、多維態(tài)勢(shì)和效能評(píng)估等模塊，實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃方案推演和實(shí)驗(yàn)分析功能，有效地支撐了無人機(jī)相關(guān)的教學(xué)研究活動(dòng)，增強(qiáng)學(xué)員對(duì)無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃的興趣，提升學(xué)員解決無人機(jī)問題的能力。