無人機模擬訓練系統設計與實現

摘要：現代化戰爭呈現出明顯的無人化趨勢，現代無人機被廣泛用于執行各種非殺傷性和軟、硬殺傷性任務。無人機在執行偵察、監視、打擊任務時，對操作手都有嚴格要求。無人機模擬訓練系統作為培訓無人機操作手的手段，能使操作手熟悉無人機的各項操作，因此，研制功能完備的無人機模擬訓練系統對更好地訓練無人機的操作手有重要意義。

關鍵詞：無人機；模擬訓練系統；現代化戰爭；偵察任務；監視任務；打擊任務 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP391 文章編號：1009-2374（2015）31-0030-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.014

1 概述

本模擬訓練系統是在無人機地面站系統硬件基礎上搭建的，該系統包括飛行控制計算機、飛行模型計算機、三維視景計算機、任務計算機、飛控機和網絡交換機。各部分軟件功能如下：

1.1 測控軟件

安裝于飛行控制計算機，接收來自模擬訓練服務器的飛行數據，顯示虛擬無人機的飛行參數和飛行航跡，并結合飛行控制面板一起發送控制命令給飛控機，完成對虛擬無人機的控制。

1.2 飛控軟件

安裝于飛控機，主要完成導航計算和控制率解算。飛控機接收來自飛行控制計算機和飛行控制面板的控制指令，解算后將舵面控制指令發送給飛機模型計算機，同時接收來自飛機模型計算機的飛行高度、空速、飛機姿態、發動機轉速等信息，按通信協議打包后，發給模擬訓練服務器。

1.3 網絡服務器程序

安裝于任務控制計算機，完成將422串口數據轉化為網絡通信數據，網絡通信數據轉化為422串口數據的數據轉換工作，同時接收來自飛控機的飛行參數以及來自訓練管理計算機的故障模擬信號，將兩者疊加后，發送給飛行控制計算機。

1.4 飛機模型軟件

安裝于飛機模型計算機，采用有氣動參數建立的非線性飛機模型，對飛機的飛行高度、空速、飛機姿態以及發動機轉速進行模擬。

1.5 三維視景仿真軟件

安裝于三維視景計算機，通過網絡接收來自飛機模型計算機的飛機姿態、位置坐標等信息和來自模擬訓練服務器的飛行控制指令，在三維視景中將虛擬無人機的飛行狀態實時顯示出來，反映了操作人員的操作過程，給考官及訓練人員最直觀的感受。

1.6 訓練評估管理軟件

安裝于情報分析計算機，通過網絡交換機接收來自模擬訓練服務器的飛行控制指令和虛擬無人機的飛行參數，通過比對，判斷訓練人員的操作正確與否，并予與評分，同時可進行故障信號模擬，通過網絡交換機發送給模擬訓練服務器。模擬訓練系統信號交聯圖如圖1所示：

圖1 模擬訓練系統組成及信號交聯圖

2 具體設計及實現

2.1 網絡服務器程序

完成測控軟件、訓練評估管理軟件、三維視景軟件間422串口數據和網絡數據的數據交換、分配。按功能可劃分為422串口數據截獲及解碼和網絡數據交換兩部分。

2.1.1 422串口數據截獲及解碼。主要包括從飛行控制面板截獲遙控數據、解碼并打包發送至網絡；從飛控機截獲遙測數據、解碼并打包發送至網絡。服務器在解碼遙控幀數據過程中，會對接收到的數據判斷屬于9類有效數據中的哪一類，并將該類數據的標志位賦值為相應的值，然后把對應的指令代碼連同相應的標志位一起打包發送到網絡最終傳送給三維視景系統和訓練評估管理系統使用。服務器在解碼遙測幀數據過程中，也會對接收數據的類型進行判斷（按空速、氣壓高度、飛機姿態、故障代碼等分類），并將該類數據的標志位賦值為相應的值，然后把對應的指令代碼連同相應的標志位一起打包發送到網絡最終傳送給訓練評估管理系統使用。

2.1.2 網絡數據交換。模擬訓練服務器的網絡數據交換采用開放系統結構的客戶端/服務器網絡模式，即客戶端提出任務請求，通過網絡發送給服務器，由服務器做相應處理，執行被請求的任務，然后將結果返回給客服端。

2.2 飛機模擬軟件

飛機模型軟件主要完成無人機數學模型的數字實現。飛機模型從輸入到狀態輸出的各種方程解算等任務。在本系統中，飛機模型的主要作用就是代替真實飛機，接收飛控機發送的四個舵偏角（副翼舵偏角、方向舵偏角、升降舵偏角和油舵偏角），輸出飛機姿態信息的12個量。具體輸入輸出值如圖2所示：

圖2 飛機模型輸入輸出值

飛機模型通過串口采集板采集舵機的舵偏量，經過數字濾波算法處理以后作為飛機模型的輸入；飛機模型里面載入無人機的吹風數學模型，即4輸入（方向、升降、副翼、油門）和12輸出（俯仰角、滾轉角、偏航角、俯仰角速度、滾轉角速度、偏航角速度、迎角、側滑角、空速、高度、飛機坐標X、飛機坐標Y）組成的非線性微分方程。通過解算非線性微分方程得到輸出量，然后分別通過串口發送姿態量給測控軟件、通過網絡發送解算數據至交換機再送入三維視景仿真系統。

2.3 三維視景仿真軟件

圖3 三維視景中飛機起飛情景

三維視景系統能夠實時顯示無人機的飛行姿態，包括俯仰、傾斜、舵面的偏轉、螺旋槳的轉動等，還可以顯示無人機從起飛到降落的各個動作，主要包括彈射起飛、拋彈、平飛、左盤、右盤、爬升、下滑、傘降等。這樣可以更加形象地將飛機的每個姿態展現在操作手的面前，讓操作手能夠很直觀地感受到無人機的飛行狀態，從而有一種身臨其境的感覺。圖3是三維視景系統模擬飛機起飛的情景：

三維視景系統大體分為三個部分：一是創建模型部分，包括飛機模型、彈射器模型、火箭彈模型、地形模型等的建模，這部分由第三方軟件Creator來制作，格式為FLT文件形式；二是設定以上各個模型的初始位置，將其所有初始坐標信息生成為一ADF文件，該文件由第三方軟件Vega來創建；三是實現飛機模型動態過程，由于初始坐標信息生成ADF文件的數據為靜態時的數據，要做到無人機的三維仿真，飛機模型需完成一運態過程，因此就要做到ADF文件中的各個模型的參數是在實時改變的，實現這一過程需要通過軟件開發工具編程來完成。endprint

三維視景系統接受兩部分數據：一是飛機模型發送過來的飛機的6個姿態數據和3個舵機偏轉量；二是模擬訓練服務器轉發的遙控命令。第一部分數據是為了表現飛機在地圖中的空間位置和實時的舵面偏轉。第二部分數據是為了表現飛機在各個狀態切換時所做的動作。比如點擊起飛命令時，飛機模型開始給三維視景系統發送飛機位置數據，同時火箭彈也開始噴火，這個特效開始的時間三維視景系統是無法提前預知的，因此需要接受遙控命令，需要知道的遙控命令有自檢、起飛和開傘。

2.4 訓練評估管理軟件

訓練管理系統軟件結構主要包括三個部分：評價打分、故障模擬、語音報警。

2.4.1 評價打分。評價打分的主要設計思想為對比分析，完成對操作手飛行前訓練評價及飛行中訓練評價。訓練評估管理軟件通過獲取操作手的操作數據與考官標準數據進行對比記分。完成訓練評估管理軟件設置的所有考題后，自動計算出總分數。通過其總分來評估一個操作手對無人機操作的熟練程度。

2.4.2 故障模擬。由于模擬系統的飛控軟件采用機載飛控軟件，其故障產生來源于傳感器的環境參數，在模擬環境中不便實現，因此由考官“人為”設置模擬故障代碼，來訓練操作手對每一級故障的處理熟練程度。故障指令代碼包括一級故障、二級故障和三級故障。一級故障有發動機停車故障、小速度故障、低高度故障、升降舵故障、副翼舵故障和雙電源故障；二級故障有風門舵故障、油門超上限故障、方向舵故障、發電機組電源故障、遙控鏈路斷故障和測控鏈路斷故障；三級故障有GPS丟失故障、無線電導航錯誤故障、空中油門固死故障、高度超標故障、飛行距離超過90km故障、速度邊界告警、高度邊界告警和姿態邊界告警。

2.4.3 語音報警。語音報警功能類似有人機中央告警功能，實現飛機狀態定時語音提示及故障告警。

語音報警功能由microsoft公司的speech SDK 5.1以及精靈軟件工作室的SmartRead SDK語音開發庫7.0實現。SAPI SDK是微軟公司免費提供的語音應用開發工具包，這個SDK中包含了語音應用設計接口（SAPI）、微軟的連續語音識別引擎（MCSR）以及微軟的語音合成（TTS）引擎等。目前的5.1版本一共可以支持2種語言的識別（英語和漢語）以及2種語言的合成（英語和漢語）。SAPI中還包括對于低層控制和高度適應性的直接語音管理、訓練向導、事件、語法編譯、資源、語音識別（SR）管理以及TTS管理等強大的設計接口。

語音引擎則通過DDI層（設備驅動接口）和SAPI（SpeechAPI）進行交互，應用程序通過API層和SAPI通信。通過使用這些API，用戶可以快速開發在語音識別或語音合成方面應用程序。然而，在新發布的.net speech SDK里面并沒有對中文語音進行支持，目前支持中文的Speech SDK最高版本為Windows平臺下的speech SDK 5.1。此外，speech SDK 5.1的語音庫只支持中文男聲，中文女聲則需要精靈軟件工作室的SmartRead SDK語音開發庫4.0提供支持，所有中文語音庫基本都提供了對GB2312字庫所有漢字的支持。因為中文女聲庫的聲音較中文男聲庫的聲音更加犀利、清晰，因此使用中文女聲庫進行TTS語音合成，可通過調用SmartRead SDK動態連接庫進行中文女聲的加載信息語音合成，合成的語音通過聲卡的輸出端直接與混音臺的輸入相連，最后通過功放后驅動音箱發聲。

3 結語

無人機地面站系統硬件基礎上集成了模擬訓練功能，實現了用和練的有機結合，體現了系統操作的方便性、實用性和完整性。為中小型無人機通用地面站研制打下了軟件技術基礎，在此基礎上的拓展和延伸可以方便地運用于其他無人機項目中。自主設計了一套模擬訓練的考評軟件，該軟件適用性強，可推廣到其他型號無人機的系統設計中。

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作者簡介：謝迪（1982-），男，四川成都人，中航工業成都飛機工業（集團）有限責任公司工程師，工學碩士，研究方向：無線電測控技術。

（責任編輯：周 瓊）endprint