無人機虛擬仿真訓練系統的發展現狀

【摘要】虛擬仿真技術在現代警用無人機技術應用中，起著至關重要的作用。通過虛擬仿真技術的應用，可以讓無人機飛行操作與維護訓練，實現遠程化和可視化教學，并且可以有效提升公安民警對無人機設備操作的實踐能力。目前關于警用無人機虛擬仿真系統的開發仍存在問題和改進的方面。本文旨在探討其存在的問題和挑戰，并提出相應的優化策略和發展建議，以期為警用無人機虛擬仿真系統完善開發并運用于公安實戰提供有益參考。

【關鍵詞】虛擬仿真|警用無人機|輔助訓練

隨著科技的飛速進步和無人機技術的日益成熟，警用無人機在公共安全、應急救援、交通監控、犯罪偵查等領域的應用日益廣泛，成為了現代警務工作中不可或缺的重要工具。警用無人機以其獨特的空中視角、靈活的機動性和高效的作業能力，為警方提供了前所未有的工作支持，極大地提升了警務工作的效率和水平。可以說警用無人機是警務模式變革的重大突破，是智能警務的有機載體，是無人化作戰平臺的內在組成部分[1]。然而目前傳統的無人機駕駛培訓方式主要依賴于實際飛行訓練和理論講解，這種方式雖然直觀有效，但存在諸多局限性。首先，實際飛行訓練對無人機的損耗較大，且存在較高的安全風險，不適合頻繁進行。其次，理論講解難以讓學員直觀感受到無人機的飛行狀態和操作細節，學習效果有限。因此，探索一種高效、安全、經濟的無人機駕駛培訓方式顯得尤為重要。而虛擬仿真技術作為一種新興的培訓手段，以其高度的仿真性、互動性和可重復性，在無人機駕駛培訓中展現出了巨大的潛力。通過構建虛擬仿真系統，可以模擬真實的飛行環境和無人機操作過程，使學員在無需實際飛行的情況下，就能獲得豐富的飛行經驗和操作技能。這種培訓方式不僅降低了培訓成本，提高了培訓效率，還極大地降低了安全風險，為警用無人機駕駛培訓指明一條可行可靠的道路。

一、虛擬仿真技術概念界定

虛擬仿真技術是一種通過計算機硬件、軟件及各種傳感器構建的三維信息人工環境，來高相似度的模擬現實世界中存在的各個場景事物的技術。該技術融合了多種領域的科學知識，對于人工智能以及傳感技術進行了進一步綜合運用，為用戶提供更加逼真的體驗，更能讓用戶沉浸式操作。虛擬仿真技術可以使用戶在計算機上模擬一個與現實世界相似的虛擬環境，通過人機交互方式進行學習、實驗、訓練等[2]。虛擬仿真技術可以無限次地重復模擬相同的場景或系統，便于用戶進行比較、測試、訓練等操作。相比于真實的場景或系統，虛擬仿真技術在成本上具有顯著優勢，無需考慮場地、設備、人力等投入。通過建立警用無人機駕駛訓練虛擬仿真平臺，用虛擬傳感器代替無人機的真實傳感器等方式，將部分無人機實飛訓練遷移到仿真訓練上來，促進訓練效益和經濟效益提升。“無人機訓練+仿真”在無人機全過程訓練過程中有著巨大前景[3]。

二、警用無人機虛擬仿真系統概述

（一）系統優點

警用無人機虛擬仿真系統是一種利用虛擬現實技術和仿真技術，為警用無人機駕駛員提供高效、安全、經濟的培訓解決方案的系統，通過構建高度逼真的虛擬飛行環境，模擬無人機在各種復雜場景下的飛行和操作，使學員能夠在無風險的環境中反復練習，提高飛手面對突發緊急情況時的能力并提升飛行技能。該系統不僅降低了培訓成本，還大大提高了培訓效率和安全性。該系統利用三維仿真技術對警用無人機實戰中的主要場景進行模擬，并將無人機操控信號轉換成飛行實景數據，從而使受訓人員真實地演練各種無人機技戰法[4]。同時該系統可以模擬各種復雜的無人機操作，建立了逼真的無人機飛行模擬環境，如飛行跟蹤、多機協同、多路徑規劃以及基本的起飛懸停等。

（二）系統架構

警用無人機虛擬仿真系統通常包含仿真計算機、仿真模擬艙、視野仿真系統在內的多個核心組件，這些組件協同工作創建出一個高度逼真的虛擬訓練環境。仿真計算機作為系統的核心處理單元，其負責運行仿真軟件、模擬無人機的飛行動力學、傳感器數據、環境交互等關鍵要素。仿真模擬艙包括操縱桿、儀表盤、顯示屏等，可以高度還原真實無人機駕駛艙的布局和設備，使學員能夠身臨其境地進行操作練習。視野仿真系統通過高清顯示屏或虛擬現實頭盔，為學員提供逼真的視覺體驗，包括地形、天氣、建筑物、障礙物等環境因素，以及無人機視角的實時畫面。

三、無人機駕駛培訓虛擬仿真系統的研究現狀

（一）國內研究現狀

目前，國內多家科研機構和企業正在積極研發無人機駕駛培訓虛擬仿真系統。這些系統通常包括仿真計算機、模擬駕駛艙、運動仿真平臺、視景仿真系統等多個核心組件，能夠模擬真實的飛行環境和操作過程[5]。例如在消防領域，消防救援局南京訓練總隊研發了一種無人機虛擬仿真系統運用于消防救援，其目的在于模擬多種真實的救援場景以應對意外突發狀況。通過三維渲染引擎對無人機的型號、搭載器械進行仿真，構建各種場景庫，例如森林火災、泥石流、地震等，在虛擬仿真的飛行中，該系統采用了FlightGear連接技術，在FlightGear中使用集成的YASim空氣動力學模型庫作為消防救援用無人機的動力學模型[6]，定義無人機的旋翼模型、起落架模型等，實時計算無人機旋翼轉速、機身姿態信息，從而加強訓練效果，并且構建了消防救援場景訓練虛擬仿真系統結構框架如圖1所示。

（二）應用情況

隨著技術的不斷進步和應用場景的拓展，警用無人機虛擬仿真系統在我國的應用前景將更加廣闊。一方面，系統將繼續提升模擬環境的真實度和訓練的針對性，為操作人員提供更加高效、便捷的訓練方式；另一方面，隨著無人機技術的不斷成熟和普及，警用無人機在不同的領域都發揮著日益重要的作用，無人機虛擬仿真系統內支持多種機型，已經可以懸配的部件例如紅外線照相機，喊話器等，實時計算警用無人機各種轉速信息，提高訓練準確性，可以執行例如多維度搜索、追蹤監測等作戰任務，為警察的技能培訓提供有力的支持[7]。警用無人機虛擬仿真系統能夠利用高性能計算機和先進的圖形處理器，實時計算和渲染出復雜、真實的飛行環境，包括地形、建筑物、天氣變化等，為操作人員提供身臨其境的訓練體驗。該系統可以根據不同操作人員的技能水平和訓練需求，自動調整訓練難度和內容，提供個性化的訓練方案。此外系統能夠模擬各種復雜的飛行任務，如搜索救援、巡航監測、精確投放等，使警務操作人員能夠在虛擬環境中熟悉和掌握不同任務的操作流程和技巧。

（三）案例分析

由于犯罪分子為躲避公安機關偵察，他們通常會選用十分隱蔽的躲藏區域，在公安偵查過程中，偏遠的山區不容易偵查搜尋的深山成為了他們青睞的地點。對于山區地形及其復雜，不熟悉，大大增加了公安民警的偵查困難程度以及操作的不便性、未知性。只有我們對于情報偵查警務工作寄予高度重視，掌握及時準確可靠的數據情報，空地協同作戰，才可以更高效地解決這一難題。當前無錫市持續鞏固推進“太湖之鷹”警用無人機行動計劃，致力于提升新質公安戰斗力。通過采用虛擬仿真系統的方式，讓飛手可以在模擬環境中進行飛行操作，提升技能水平。無錫公安以工作臺、駕駛艙、超圖“三合一”設計打造“全要素可視化”警航平臺，已經實現了無人機的遠程操控，根據具體的警情自動觸發指揮無人機現場處置，其中無人機路徑趨于可視化規劃，可以檢測無人機線路的合理性準確性。該系統包含激光點云快速建模、熱成像等先進技術，能夠幫助飛手在復雜環境中快速定位目標。通過虛擬仿真系統，飛手可以在安全的環境下進行飛行訓練，提高實戰能力。在救援、偵查等任務中發揮了重要作用。

四、無人機虛擬仿真系統當前存在的問題

（一）仿真度與真實度存在差異

盡管虛擬仿真技術在不斷發展，但完全模擬真實飛行環境和無人機性能仍存在技術難度。例如，極端天氣條件、復雜地形、機械故障等真實環境中的復雜因素難以在虛擬環境中完全復現[8]。無人機在實際飛行中依賴多種傳感器數據進行導航和姿態控制，而虛擬仿真系統可能無法實時、準確地模擬這些數據，影響操作手對無人機狀態的判斷和控制。在真實環境中，無人機與地面控制站之間的通信可能受到等多種因素的影響導致通信延遲或中斷。而虛擬仿真系統往往無法完全模擬這種通信延遲，使得飛手在訓練中難以體驗到遇到真實的通信問題該如何處置。

（二）系統訓練環境單一

警用無人機虛擬仿真系統提供的環境較為單一，無法高效準確的還原模擬公安實戰情景易多變的情況，當發生突發事件，產生緊急狀況，飛手可能無法作出準確及時的反應。此外部分虛擬仿真系統目前主要側重于飛行技能的訓練，而對于無人機在警用領域中的具體偵察應用的模擬訓練相對較少，這樣容易導致訓練畸形，飛的好但并不一定處理的好。

（三）系統操作較為復雜

用戶界面的友好性和易用性也是影響仿真度與真實度的重要因素。目前很多無人機虛擬仿真系統的操作界面比較復雜，后續指令輸入相對不便，再加上無人機駕駛訓練無用的操作操作較多且冗雜，給飛手、用戶的體驗感并不友好從而影響了無人機模擬飛行以及后續的實戰應用。警用無人機虛擬仿真系統需要不斷優化界面設計，提高操作便捷性和直觀性，站在公安實戰的角度出發，如何使操作手能夠更快速、更準確地掌握無人機操作技能，更好的隨機應變處理好多樣的實戰情況才是我們設計系統的初衷。

五、無人機虛擬仿真系統發展方向及優化策略

（一）優化用戶體驗

設計直觀、易用的用戶界面，提供豐富的交互方式和操作提示，大大提升使用的便捷度。應當與公安實戰緊密結合，不在于系統水平多高深，在于方不方便，可不可靠。可以建立民警反饋機制，發放問卷定期收集用戶意見和建議，這樣可以清楚知道系統存在哪些不便，在公安實戰中比較難以操控應對的方面，對虛擬仿真系統進行持續改進和優化。同時可以設立測試環節，邀請無人機飛手進行試用和評估，這樣有助于及時發現并解決問題。制定和完善相關標準和規范，確保虛擬仿真系統的開發、測試、應用等環節符合行業標準和規范要求從而提高系統的互操作性和通用性，促進技術的普及和應用。加強與國際標準的對接和互認。通過標準化建設提升我國警用無人機虛擬仿真技術的國際競爭力。

（二）優化訓練場景

優化系統內的訓練場景，目前公安內無人機虛擬仿真系統普遍存在訓練場景單一而且場景比較粗糙，利用高精度的3D建模和物理引擎技術[9]，構建出包括城市街道、山區地形、水域環境、復雜天氣等多種場景模型，這些模型應能夠真實反映不同環境下的光照、氣象、物理特性等因素，為訓練者提供身臨其境的飛行體驗。除了常規的巡邏、偵查任務外，還應模擬搜救、反恐、交通管理、環境監測等多種任務場景。這些場景應包含不同的任務目標、約束條件和突發情況，以全面鍛煉訓練者的應對能力。

（三）多種技術融合創新

可以將高精度的激光雷達、毫米波雷達、紅外熱成像等傳感器技術深度集成到虛擬仿真系統中，實現對無人機飛行環境的全方位、高精度模擬，提高目標探測和跟蹤的準確性。加入深度學習、強化學習等人工智能算法可以提升虛擬仿真系統的自主決策和智能控制能力。在公安具體實際復雜的戰術決策過程中通過AI算法模擬，可以使訓練者能在虛擬環境中體驗到更真實的戰場環境。同時要緊跟5G/6G通信技術的發展步伐，實現無人機與地面控制站之間的高速、低延遲數據傳輸。這不僅可以提升遠程控制的實時性，還能支持更高質量的視頻傳輸和實時數據分析。這就要求公安機關要加大在無人機技術、虛擬仿真技術的研發投入，跟蹤行業最新動態和技術趨勢。同時建立技術研發團隊，與高校、科研機構等建立緊密的合作關系，通過產學研用相結合的方式，告知自身實戰工作的特殊性和實用性，一切以利于操作，利于工作為前提，共同推動警用無人機虛擬仿真技術的發展和應用。

六、結語

在深入探討了警用無人機駕駛培訓虛擬仿真系統的發展現狀后，我們可以清晰地看到我國在警用無人機領域所取得的顯著進展以及其對警用無人機駕駛員培訓帶來的革命性變化。虛擬仿真技術不僅克服了傳統培訓模式的局限性，還通過其高度仿真、安全可控、靈活高效的特點，為學員提供了一個理想的訓練平臺。隨著技術的持續創新和進步，警用無人機駕駛培訓虛擬仿真系統會逐步向更加智能化、精準化的方向發展。未來我們可以預見，這些系統將更加緊密地結合實際應用場景，為公安實際應用提供更加貼近實戰的訓練內容。同時，系統的標準化與規范化也將得到進一步加強來確保培訓質量和效果的一致性。中國軍轉民

參考文獻

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[6] 婁旸，譚思宇.消防救援用無人機虛擬仿真訓練系統設計[J].消防科學與技術，2022，41（08）：1115-1118.

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[9]周騫.基于Unity和ROS的無人平臺視景仿真系統[D].南京理工大學，2021.

（作者單位：中國人民警察大學）