無人機模擬訓練教學系統設計

于進勇, 寇昆湖, 陳 勇, 張 凱

(海軍航空工程學院 控制工程系， 山東 煙臺 264001)

0 引 言

現階段，國內外無人機都迎來了大發展，有著很大的發展潛力和良好的應用前景[1-3]。雖然無人機有諸多優點，但其裝備部隊后形成戰斗力需要一段時間。和其它軍用武器裝備一樣，無人機要想在戰場上發揮出應有的效能，就必須進行大量的飛行訓練[4-5]。如果完全依靠真實無人機訓練，一是客觀條件不允許，風險大。無人機不像有人駕駛飛機，當有人駕駛飛機出現故障時，飛行員可根據故障情況采取一定措施盡可能地使飛機安全著陸，但無人機在飛行時若發生故障，則很可能造成飛機墜毀。二是花費太高。每組織一次無人機實機訓練，都要消耗大量的人力物力，包括無人機操作、保障人員的使用，油料、物資的消耗等，同時實際訓練當中不可避免地要對無人機造成一些正常和非正常磨損，導致訓練費用過高[6]。為解決這一問題，設計符合要求的無人機訓練模擬器是一種很好的選擇。操作人員通過進行模擬訓練，既可以完成無人機各種科目訓練、降低訓練風險、避免因操作失誤造成無人機不必要的損失，又可以減少物資消耗，節約經費[7-9]。

1 系統功能

無人機訓練模擬教學系統主要由系統監控、任務控制、任務規劃、飛行控制四臺機柜、教員控制臺和教學投影設備組成，完成飛控、測控、任控操作手的操作訓練、教學演示及訓練評估[10-11]。

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

任務控制用來模擬紅外、可見光、數碼相機、雷達圖像顯示與數據處理、模擬航跡顯示、平臺儀表顯示、遙測列表參數及模擬任務控制指令生成和控制能力[13-14]。

任務規劃主要模擬完成對無人機飛行航路編輯的任務規劃功能及模擬接收和記錄各種原始遙測數據和過程數據，完成數據處理及記錄。

飛行控制具有模擬遙測參數顯示、飛行航跡顯示、飛行姿態儀表顯示、模擬飛行指令編制、飛行控制及模擬實時監視系統工作狀態、異常報警顯示等功能[15]。

教員控制能編輯、設置訓練任務、訓練條件、初始環境，根據下達的訓練任務，自動生成訓練環境和仿真訓練方案，并可實時監控、實時修改任務、實時設定特殊情況，同時具有操作訓練的演示、記錄、回放功能，以提供成績評判依據，最后將訓練結果進行記錄存儲，根據需要查詢訓練的相關資料。

教學投影采用三維方式，顯示無人機起飛、著陸、飛行時的三維場景，還可實時仿真顯示任務設備獲取的紅外、可見光等圖像，動態顯示仿真無人機飛行時的遙測數據，直觀顯示操控過程，并可切換顯示不同席位操控界面。

2 系統組成及原理

2.1 系統組成

無人機訓練模擬教學系統總體采用基于個人計算機的分布式網絡結構，各仿真功能系統采用局域網連接，在設計上留有廣域網擴展能力。系統主要由指揮控制仿真訓練、教學指揮管理、三維視景和計算機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 系統效果圖

2.2 系統原理

教學指揮管理系統結合視景系統建立起仿真訓練平臺，在此平臺上可以完成仿真訓練課目，并為提供任務演示、研究的軟硬件環境，在此環境下主要完成仿真訓練任務的調度，通過方案布置完成訓練任務的設置、下達，無人機的初始化設置；在仿真運行過程中系統通過實時參數調整，改變訓練環境；通過實時記錄、可控回放完成操作訓練評判和綜合訓練評估。

圖2 系統總體結構圖

視景系統提供逼真的操作現場環境，根據教學指揮管理系統的控制可仿真無人機在執行偵察任務過程中的場景及無人機狀態，為任務評判、綜合訓練評估提供可視的圖像信息。同時視景顯示系統還可為教學演示提供包括可編輯的訓練環境圖、無人機所處虛擬視景環境、無人機操作及設備參數顯示、操作監控等顯示切換功能。

計算機軟件仿真件系統是模擬器的核心，完成無人機空氣動力學仿真、指揮控制設備仿真、機載設備仿真無人機系統飛控導航仿真；同時為仿真飛行環境提供視景圖像和電子地圖的仿真，提供與真實指揮控制軟件相一致的交互性強、界面友好的仿真環境；為教學指揮管理系統提供操作靈活、功能強大的管理軟件。

3 分系統設計

3.1 計算機仿真分系統

計算機仿真分系統采用面向對象的軟件開發方法，基于Windows NT系統平臺，以Microsoft Visual C++ 6.0作為開發工具，應用Arcinfo、Vega、MultiGen等軟件工具來實現。

3.1.1氣動仿真

氣動仿真包括對無人機氣動及動力等部分的仿真，主要包括以下幾個模塊：

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

(2) 發動機模塊。根據無人機發動機的特點，建立相應的數學模型，根據無人機的飛行狀態計算出發動機的推力、燃油消耗率、轉速和排氣溫度等性能參數。

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

(4) 運動方程模塊。根據無人機的氣動參數和計算得到的無人機所受的外力及力矩，包括發動機的推力、空氣動力、自身的重力、地面支反力、摩擦力及它們對無人機所產生的力矩，利用6自由度非線性全量剛性飛行運動方程可計算出無人機的運動速度、位置和姿態。

(5) 輸出飛行參數模塊。為其他分系統根據飛行參數進行解算提供數據。

3.1.2飛控導航軟件

飛控導航軟件主要仿真無人機飛控導航過程，根據實裝指揮控制車與無人機的數據鏈接口，進行定性的仿真。

首先在輸入、輸出接口上通過軟硬件結合仿真飛控導航功能，采用機理建模的方法，忽略輸入、輸出接口間物理硬件以及傳輸方式、協議，根據數據鏈接口功能定義仿真接口協議，在局域網上傳輸仿真數據，完成在仿真環境下的飛控導航軟件。

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、任務規劃席位、任務控制席位和鏈路監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、飛控參數顯示模塊以及飛控指令生成模塊組成。作為系統的主要組成部分，實現對無人機飛行航跡、無人機飛行姿態、飛行控制計算機工作狀態進行實時監測；并具有遙測參數的綜合處理、顯示功能。

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

(3) 任務控制軟件。任務控制軟件主要進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時觀看傳回的圖像信息，確定和調整有效載荷(仿真紅外、可見光、SAR等)的工作狀態。它主要包括圖像數據處理、圖像顯示、有效載荷控制指令生成等功能。

(4) 鏈路監控軟件。鏈路監控軟件主要功能是監視機載測控設備和地面測控設備的工作狀況及鏈路工作狀況?？赏瓿涉溌房刂坪驮O備管理，主要包括狀態采集、故障分析、監控顯示、鏈路和設備控制命令的生成等功能。

3.2 教學指揮管理系統

3.2.1基本功能

教學指揮管理系統作為訓練模擬器整機和教員的人機界面，是模擬器的總控制臺。教學指揮管理系統不但完成訓練任務的方案布置、訓練參數調整及訓練評判，而且具備仿真訓練的管理功能，包括任務管理、人員管理、打印輸出等功能。結合視景系統及計算機軟件仿真系統實現任務管理、方案布置、實時調整、訓練評判及人員管理功能。

3.2.2實現方法

教學指揮管理系統的硬件部分由可靈活拆裝的指揮控制臺和管理計算機組成組成，指揮控制臺如圖3所示。

圖3 指揮控制臺

為便于隨行訓練，指揮控制臺在結構上采取上下分體結構，下部放置管理計算機，上部安裝計算機的輸入輸出設備，如鍵盤、鼠標、顯示器等，打印機置于指揮控制臺上部的后側內部，不用時將打印機裝于指揮控制臺內部。

管理計算機采用基于PC的計算機，為增加可靠性，機箱采用工業控制機箱。

在指揮控制臺的控制面板上安裝有視頻切換裝置，可供教學人員將指揮控制方艙內的各席位顯示畫面、指揮控制臺顯示畫面、視景系統畫面實時切換顯示在指揮控制臺上，共教學人員指揮受訓人員操作，也可作為訓練過程中演示、講解。

指揮控制臺的對講設備用于指揮控制臺和方艙內通話，完成教、學員之間的通信功能。

3.3 視景系統

視景顯示系統設計為虛擬三維場景，主要提供真實的操作現場環境。

3.3.1視景系統功能

(1) 視景系統在功能設計上主要完成以下任務：① 顯示無人機起飛、著陸、飛行過程中的場景及無人機狀態；② 訓練環境監視：利用可視化手段全面直觀地將訓練環境的態勢和整個訓練過程展示給觀摩及評估人員；③ 訓練測評：實現對整個訓練過程的不同訓練席位操作人員的訓練監控。

(2) 視景系統可作為教學演示及訓練全程可視化展示。主要提供如下功能：① 可對各個操縱席位的操縱、指揮情況實施實時監督；② 可對各操縱席位的機器狀態及參數實施實時查閱；③ 可對訓練各環節的狀態及參數實施實時查閱。

通過可視化監控系統提供的上述功能，可使教員、學員及參觀人員詳細、直觀、清晰地對無人機使用的整個過程以及無人機的使用效能進行有效地演示，使整個過程更為直觀。

3.3.2視景系統圖像生成

根據訓練空域和偵察任務飛行的需求，圖像生成系統有以下內容：① 建立圖形模型庫：包括滿足任務要求的、具有多細節層次的地形、地貌、地面特征物、光點等模型，并能在低空時均有紋理描述。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。④ 具有形成訓練環境的活動目標。

4 結 語

本文采用半實物仿真方式，真實模擬無人機系統性能，建立逼真的系統指揮控制模擬訓練環境，用以完成對系統監控、任務控制、任務規劃、飛行控制等指揮控制人員的基本技能培訓，可以大大提高無人機操作人員的培訓效率，縮短人員的培訓時間，使無人機裝備部隊后在盡可能短的時間內形成戰斗力。

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