無人機仿真訓練系統設計與研究

申斌 宮海龍 梁少軍 李曉龍

摘 要：無人駕駛飛機是利用自備程序控制裝置以及無線電遙控設備操縱的不載人飛機，隨著其研發技術的進一步發展，無人駕駛飛機在民用以及軍事等領域占據的地位日益重要。所以，設計與探究無人機仿真訓練系統，結合虛擬現實仿真技術，使操作人員在訓練過程中獲得形象、豐富的體感，強調其在虛擬環境中的主導作用，能夠為進一步提升我國無人機技術力量奠定堅實基礎。該文第一部分分析了無人機仿真訓練系統的研究意義，為設計的可行性提供理論基礎；第二部分對系統的整體結構進行概述，強調了系統功能以及需要進一步完善的模塊；第三部分與第四部分則分別研究了無人機仿真訓練系統的工作原理、功能模塊，分析了無人機訓練的要點以及急需強化的部位；第五部分研究了無人機仿真訓練系統設計成果特點，為進一步研發高新系統，促進科學研發、國民經濟以及國防裝備試驗力量提供良好借鑒。

關鍵詞：無人機 仿真訓練 原理功能

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（a）-0063-02

仿真訓練系統是當前無人機中應用最為廣泛的技術之一，其以專用物理效應設備以及計算機為工具，在一定的系統模型上試驗假想或者真實的系統，通過分析研究試驗結果，以做出最終決策。不過，在過去的計算機仿真系統中，操作人員往往為旁觀者，不能根據自己的視點調節可視場景，導致用戶缺乏了身臨其境的感覺。所以，結合虛擬現實，研發虛擬仿真訓練系統，能夠幫助解決遺留的人機交互缺乏的問題，在新概念、新方式、新內容以及新方法的引領下，使得無人機訓練的方式更加和諧，內容更加形象，為提高我國的無人機操作能力做好充足準備。

1 研制意義

無人駕駛飛機是一種復雜的技術設備，其不僅能夠進出危險空域，發揮自身特殊效用，而且能夠完成過去許多只有有人機才能夠完成的任務，并利用自身自重輕、體積小、成本低的特點，極大地改變了人們生活。所以進行必要的技術訓練，對于提高無人機飛行的準確性具有重要意義。但是作為高新武器裝備，無人機的價格十分昂貴，且其壽命十分有限，其不允許被多次訓練使用，除此以外，無人機中一些訓練科目操作還具有較大的危險性，所以為了防止資源浪費以及訓練事故的發生，研制高技術含量的無人機仿真訓練系統十分必要，其能夠不僅能夠進一步簡化無人駕駛飛機的操縱的過程，使指揮人員能夠熟悉無人機操作、維修技能，而且指揮人員有機會進行反復的技能練習，使執行的任務能夠被高效、準確地完成。在無人機計算機仿真系統的基礎上，構建虛擬仿真系統，使無人機飛行位置、姿態以及高度，逼真、形象地顯示在指揮員眼前，幫助其掌握基本的飛行控制規律。建立完善的無人機仿真訓練系統，能夠使指揮人員在計算機前享受人機互動，通過在模擬情境中操作無人機起飛、控制無人機飛行，從而實現訓練指揮人員操作技能以及遵循預定路線完成飛行演練的目的。無人機仿真訓練系統的研制能夠使指揮人員在不受節能、經濟、氣象條件等限制下，反復、高效、安全地進行飛行演練，大大減少了訓練費用以及提高了無人機指揮人員的動手能力。目前，設計研制的無人機仿真訓練系統不僅能夠提供評價無人機系統品質的全方位仿真平臺，而且還可以構建通用全數字的飛行仿真訓練系統模型，學員通過在發動機控制系統、飛行控制系統、導航系統等無人機仿真模塊中進行練習，從而對自身的操作水平得到定性定量分析，在清楚的認知下獲得及時的查漏補缺。

2 系統整體結構概述

無人機仿真訓練系統應包括上位管理、視景仿真、地面控制以及飛行仿真4大模塊，具體結構如圖1所示。

無人機仿真訓練系統的4個模塊緊密相連，例如，上位管理機與地面控制臺是訓練系統總體走向與流程的指揮系統，飛行仿真模塊作為系統各模塊運行的基礎，需要確保自身實時性、可靠性，以提高系統綜合效率。具體來看，四者聯系可以分為以下三個部分：首先，上位管理機需要通過無連接的數據報文方式為視景仿真以及飛行仿真系統發送一定的控制命令與初始化參數，并輔助訓練員全面評估自身的訓練情況。在上位管理機模塊中可以細化為訓練科目、多媒體教學、視景初始化、故障模擬以及成績評估五個方面。訓練科目主要是在初值設定的前提下負責向飛行仿真系統發送開始、停止訓練的指令；多媒體教學則主要是為學員提供聲音、圖像、文字等渠道的教學模式；視景初始化擔當為視景系統提供環境參數的功能，其能夠回顯目標以及炸點位置；故障模擬能夠給飛行仿真設定無人機的各項故障指令；成績評估則能夠評定學員的訓練情況，并將其飛行成績保存在數據庫中，以隨時隨地查閱。其次，飛行仿真與地面控制臺之間的通訊是雙向的，飛行仿真的接口軟件能夠接收地面控制臺發送的開關控制、遙調、航跡規劃、航程點更新等各個指令，并在處理后輸出無人機速度、高度、姿態、電壓電網、航跡偏差、控制狀態等信息，使其顯示在地面控制臺上。最后，飛行仿真在向地面控制臺輸送指令的同時也需向視景系統輸送相應數據。不同種類的景物能夠組成三維場景，不同類型的模型能夠構成虛擬仿真環境，如果三維虛擬環境中的景物種類不同，其仿真處理也應發生相應變化。所以視景系統接受的飛行仿真數據應主要為上位管理機中設置的環境參數，以方便學員在訓練時隨時更換訓練場景，提高自身訓練效果。

3 工作原理

設計的無人機仿真訓練系統主要由虛擬仿真與工控機兩個高新技術組成。一方面，虛擬仿真是借助一個系統模仿另一個真實系統的技術，其實時性、交互性與逼真性的特征能夠為無人機仿真訓練系統提供強有力的支撐。虛擬仿真技術作為當今研究的熱點，主要借助以計算機為核心技術的現代科技生成，逼真的視、聽、觸覺使學員在一定設備的輔助下能夠以自然狀態與虛擬環境中的對象進行交互，并互相產生影響，從而產生等同于在真實環境中活動的體驗與感受。而在無人機訓練系統中應用的虛擬仿真技術，能夠為學員創造一個相互作用與反映實體變化的三維虛擬世界，并通過輔助的傳感設備，使學員直接參與探索無人機飛行時的姿態、速度等特征，以及其可以隨時更換飛行場景，提高自身指揮能力。虛擬仿真技術的實現主要依靠MATLAB/Simulink，并通過Simulink搭建無人機的控制模型、飛行動力學模型以及導航模型等，通過MATLAB開發設置仿真參數。

在無人機仿真模擬訓練系統中，虛擬仿真技術主要由系統、環境、信號處理三方面組成。第一，系統模塊主要包含了無人機動力學、導航、控制以及發動機等功能模塊，首先其由制導功能向控制功能發出飛行軌跡姿態指令，然后針對無人機模型設計特點，計算飛行任務完成下的發動機推力調整量與舵面偏轉量，最后將這些操控數據發送到無人機動力學處，使其做出相應調整。

第二，在環境方面仿真技術考慮了風場、地形、大氣狀態、重力加速度等外界，在學員自行設置的基礎上實現訓練效果的全面化。第三，由于無人機仿真訓練系統能夠支持學員進行操縱桿控制，所以要求中心系統在接受來自操縱桿的姿態調整、油門、升降等指令后，能夠利用模型解算接收的數據指令數據，以實現控制無人機飛行高度與姿態，使用戶在模擬訓練時更加方便快捷。

另一方面，無人機仿真訓練系統中還需要采用以工控機為核心的電氣控制方案。工控機，全稱為工業控制計算機，其能夠在總線結構額基礎上對機電設備、生產過程以及工藝裝備進行控制與檢測。首先，工控機具有重要的計算機特征以及屬性，例如，其具有計算機內存、硬盤、控制網絡等。其次，工控機非常特殊，其屬于一種中間產品，能夠為其他行業提供智能化、嵌入式的可靠配制。在無人機仿真訓練系統的設計中引入工控機，既能夠滿足系統中各項性能指標的需求，又能夠高效調節發動機馬力等電氣設備，保證訓練的正常進行。首先，由于工控機的機箱采用鋼結構，所以其能夠防止學員在進行無人機指揮訓練時因磁、塵、沖擊等客觀因素而被迫停止的現象發生，其對于保證學員訓練評估成績的準確性具有重要意義；其次，工控機采用標準機箱，其具有專用電源以及安有ISA與PCI插槽的專用底板，保證了電源較強的抗干擾能力，實現了無人機仿真訓練的有序、高效性；最后，工控機能夠連續長時間作業，使得學員在進行無人機仿真訓練時不會受到意外終止的威脅。工控機在無人機仿真訓練系統中的應用在提高訓練效果方面具有重要意義。

4 功能模塊

無人機仿真系統可以劃分為11個功能模塊：第一，運動學特性仿真模塊，其仿真步長限制在10 m/s內，主要利用系統設置的數學模型程序進行實現。對于計算機而言，仿真訓練系統大約需要每隔55 ms就發生一次硬件中斷，如果利用傳統定時器控制中斷，顯然其無法滿足仿真周期的高精度，所以在運動學特性仿真模塊中需要采用精確的多媒體定時器，通過事先在程序中設定無人機位置、爬升率等仿真初值，使得各評價參數能夠在準確的初值上得以解算與累加。第二，TCP/IP協議通信模塊。在無人機仿真訓練系統中可以將兩臺計算機的網絡通訊設置為TCP/IP協議，在結合多線程以及廣播方式進行數據發送的技術基礎上實現系統的可靠運行，為解決數據傳輸的實時性問題奠定了堅實基礎。第三，故障設置模塊。為了能夠提高指揮人員的應變能力，在進行訓練時可以使學員在該模塊中體驗一定的應急事故處理。在故障設置模塊的存在可以將指令失效、發動機停車、目標失蹤等意外情況融入到訓練過程的任意時段之中，確保仿真訓練的全面性。第四，指令輸入與顯示模塊，其不僅能夠直接接受到接收機中的數據信息，并及時將其中的指令名稱以及時間進行準確記錄，而且其能夠在發射面板的用戶界面向外發送模擬遙控指令。一般地，可以將接收的接收機中的實時指令再通過隔離型數字量輸入板以及電平轉換接口卡之后引入到計算機額總線擴展槽，以及時采集實時指令。第五，航路規劃，設定模塊。在現實情境中，指揮人員需要在執行無人機飛行任務前根據實際環境以及任務類型規劃、制定航行路線。所以，在仿真訓練中設置該模塊，能夠更加貼合現實，指揮人員在訓練前可以先在模擬飛行區域中編輯、顯示航線，并以文件的形式將制定的航線保存在計算機中，為之后的虛擬訓練做好充足準備。第六，飛行數據顯示模塊。在仿真訓練系統中一共有數字與儀表兩種顯示方式，數字顯示更為準確，能夠有效訓練指揮人員的精確領航能力；儀表顯示是在標準航空儀表盤的使用下為指揮人員創造身臨其境的感覺。第七，氣象設置模塊。在現實情境中，不同的氣象條件均會對無人機的飛行航線產生程度不一的影響，特別是風向、風力等氣象條件直接影響著無人機的航跡。在無人機仿真訓練系統中涉及氣象設置模塊，能夠有效、靈活地設置學員訓練過程中的氣象條件，保障其飛行指揮能力的全面提升。第八，飛行航跡顯示模塊，其既能顯示事先制定的航線，也能顯示飛行區域的航跡，使指揮人員能夠準確做出航線調整的判斷。除此以外，該模塊還能顯示指定航線與無人機位置間的偏航距。第九，飛行過程回放軟件。該軟件能夠使幫助學員在訓練結束后回放整個的飛行過程，使學員能夠在觀看中及時糾正錯誤操作，總結訓練成果，以最大限度地提升學員的專業素質。第十，飛行數據記錄軟件，其主要記錄相應時刻下的飛行參數，并且為了能夠事后對訓練過程進行評估，分析，這些參數均會以二進制格式進行保存。第十一，結果評估軟件，其具有客觀評估訓練結果的標準，在此標準下，該模塊能夠找出每次訓練中的錯誤，在將其與任務要求做比之后評判學員訓練成績，并告知學員問題出處。

5 結論與成果特點

總而言之，在無人機訓練中設計仿真系統，能夠在展現室內訓練大型武器裝備的同時將訓練風險以及損耗降到最低，從而促進學員指揮能力的能力。在原有訓練系統中進行一定的仿真改造，真正實現虛擬仿真技術與工控體計算機的相互融合與滲透，在滿足系統仿真度與精度的前提下明顯縮短學員掌握操作時間，例如，在飛行姿態調整訓練中，學員原有的操作領會時間為35 min，但是在引入仿真訓練系統后則縮短至現在的15 min，為實際教學中帶來良好效果。尤其是無人機仿真訓練系統中的任務載荷仿真，其能夠精確模擬實際偵察任務中無人機的各項動作，并及時向圖像生成系統實時傳輸生成的一系列數據，通過利用LOD技術，使得場景的幾何復雜性能夠在畫面視覺效果不受影響的前提下進行一定簡化，從而實現計算效率的大大提高。無人機仿真訓練系統常常先用小波分析方法對飛行數據進行了濾波，以有效防止抖動現象的出現。投入使用設計的無人機仿真訓練系統，能夠使學員在參與訓練時體驗真實情境，訓練自身指揮無人機起飛、著陸以及按航線飛行的快感，并利用三維圖景對偵查的信息進行觀察，全方位搜索控制任務偵察平臺。所以，可以說無人機仿真訓練系統的使用能夠給學員訓練更加直觀、逼真以及舒適的感覺，在反復訓練中達到操縱熟練額基本目的，為提高操縱人員訓練效率，實現新型無人機的廣泛應用奠定堅實基礎。

參考文獻

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