无人机模拟训练教学系统设计

于进勇, 寇昆湖, 陈 勇, 张 凯

(海军航空工程学院 控制工程系， 山东 烟台 264001)

0 引 言

现阶段，国内外无人机都迎来了大发展，有着很大的发展潜力和良好的应用前景[1-3]。虽然无人机有诸多优点，但其装备部队后形成战斗力需要一段时间。和其它军用武器装备一样，无人机要想在战场上发挥出应有的效能，就必须进行大量的飞行训练[4-5]。如果完全依靠真实无人机训练，一是客观条件不允许，风险大。无人机不像有人驾驶飞机，当有人驾驶飞机出现故障时，飞行员可根据故障情况采取一定措施尽可能地使飞机安全着陆，但无人机在飞行时若发生故障，则很可能造成飞机坠毁。二是花费太高。每组织一次无人机实机训练，都要消耗大量的人力物力，包括无人机操作、保障人员的使用，油料、物资的消耗等，同时实际训练当中不可避免地要对无人机造成一些正常和非正常磨损，导致训练费用过高[6]。为解决这一问题，设计符合要求的无人机训练模拟器是一种很好的选择。操作人员通过进行模拟训练，既可以完成无人机各种科目训练、降低训练风险、避免因操作失误造成无人机不必要的损失，又可以减少物资消耗，节约经费[7-9]。

1 系统功能

无人机训练模拟教学系统主要由系统监控、任务控制、任务规划、飞行控制四台机柜、教员控制台和教学投影设备组成，完成飞控、测控、任控操作手的操作训练、教学演示及训练评估[10-11]。

系统监控主要模拟监控机载测控设备和地面测控设备的工作状况及链路工作情况和模拟链路控制及进行设备管理，主要包括状态采集、故障分析、监控显示、链路和设备控制命令的生成等[12]。

任务控制用来模拟红外、可见光、数码相机、雷达图像显示与数据处理、模拟航迹显示、平台仪表显示、遥测列表参数及模拟任务控制指令生成和控制能力[13-14]。

任务规划主要模拟完成对无人机飞行航路编辑的任务规划功能及模拟接收和记录各种原始遥测数据和过程数据，完成数据处理及记录。

飞行控制具有模拟遥测参数显示、飞行航迹显示、飞行姿态仪表显示、模拟飞行指令编制、飞行控制及模拟实时监视系统工作状态、异常报警显示等功能[15]。

教员控制能编辑、设置训练任务、训练条件、初始环境，根据下达的训练任务，自动生成训练环境和仿真训练方案，并可实时监控、实时修改任务、实时设定特殊情况，同时具有操作训练的演示、记录、回放功能，以提供成绩评判依据，最后将训练结果进行记录存储，根据需要查询训练的相关资料。

教学投影采用三维方式，显示无人机起飞、着陆、飞行时的三维场景，还可实时仿真显示任务设备获取的红外、可见光等图像，动态显示仿真无人机飞行时的遥测数据，直观显示操控过程，并可切换显示不同席位操控界面。

2 系统组成及原理

2.1 系统组成

无人机训练模拟教学系统总体采用基于个人计算机的分布式网络结构，各仿真功能系统采用局域网连接，在设计上留有广域网扩展能力。系统主要由指挥控制仿真训练、教学指挥管理、三维视景和计算机软件仿真等部分组成，效果如图1所示，总体如图2所示。

图1 系统效果图

2.2 系统原理

教学指挥管理系统结合视景系统建立起仿真训练平台，在此平台上可以完成仿真训练课目，并为提供任务演示、研究的软硬件环境，在此环境下主要完成仿真训练任务的调度，通过方案布置完成训练任务的设置、下达，无人机的初始化设置；在仿真运行过程中系统通过实时参数调整，改变训练环境；通过实时记录、可控回放完成操作训练评判和综合训练评估。

图2 系统总体结构图

视景系统提供逼真的操作现场环境，根据教学指挥管理系统的控制可仿真无人机在执行侦察任务过程中的场景及无人机状态，为任务评判、综合训练评估提供可视的图像信息。同时视景显示系统还可为教学演示提供包括可编辑的训练环境图、无人机所处虚拟视景环境、无人机操作及设备参数显示、操作监控等显示切换功能。

计算机软件仿真件系统是模拟器的核心，完成无人机空气动力学仿真、指挥控制设备仿真、机载设备仿真无人机系统飞控导航仿真；同时为仿真飞行环境提供视景图像和电子地图的仿真，提供与真实指挥控制软件相一致的交互性强、界面友好的仿真环境；为教学指挥管理系统提供操作灵活、功能强大的管理软件。

3 分系统设计

3.1 计算机仿真分系统

计算机仿真分系统采用面向对象的软件开发方法，基于Windows NT系统平台，以Microsoft Visual C++ 6.0作为开发工具，应用Arcinfo、Vega、MultiGen等软件工具来实现。

3.1.1气动仿真

气动仿真包括对无人机气动及动力等部分的仿真，主要包括以下几个模块：

(1) 大气环境模块。模拟大气环境对飞行的各种影响，包括大气温度、大气压力、均匀风场、风切变和紊流各种环境因素。

(2) 发动机模块。根据无人机发动机的特点，建立相应的数学模型，根据无人机的飞行状态计算出发动机的推力、燃油消耗率、转速和排气温度等性能参数。

(3) 质量模块。模拟无人机飞行中各种因素引起的质量和惯量的变化。如因燃油消耗使飞机质量减小，并使飞机的重心位置和惯量发生变化等。

(4) 运动方程模块。根据无人机的气动参数和计算得到的无人机所受的外力及力矩，包括发动机的推力、空气动力、自身的重力、地面支反力、摩擦力及它们对无人机所产生的力矩，利用6自由度非线性全量刚性飞行运动方程可计算出无人机的运动速度、位置和姿态。

(5) 输出飞行参数模块。为其他分系统根据飞行参数进行解算提供数据。

3.1.2飞控导航软件

飞控导航软件主要仿真无人机飞控导航过程，根据实装指挥控制车与无人机的数据链接口，进行定性的仿真。

首先在输入、输出接口上通过软硬件结合仿真飞控导航功能，采用机理建模的方法，忽略输入、输出接口间物理硬件以及传输方式、协议，根据数据链接口功能定义仿真接口协议，在局域网上传输仿真数据，完成在仿真环境下的飞控导航软件。

3.1.3指挥控制仿真软件

指挥控制仿真软件仿真飞行控制席位、任务规划席位、任务控制席位和链路监控席位所包含的软件功能。

(1) 飞行控制软件。飞行控制软件由航迹显示模块、飞行仪表模块、飞控参数显示模块以及飞控指令生成模块组成。作为系统的主要组成部分，实现对无人机飞行航迹、无人机飞行姿态、飞行控制计算机工作状态进行实时监测；并具有遥测参数的综合处理、显示功能。

(2) 任务规划软件。任务规划的主要任务是进行任务规划以及保存下行的遥测数据和对数据库进行管理。其软件功能主要是对无人机的飞行航路进行编辑；接收和记录各种原始数据和过程数据，供其他软件进行界面显示以及系统作事后分析用；对数据库中保存的各种原始数据和过程数据进行备份恢复、查询显示和回放。

(3) 任务控制软件。任务控制软件主要进行图像显示与载荷管理操作，是使操作人员在屏幕上可以实时观看传回的图像信息，确定和调整有效载荷(仿真红外、可见光、SAR等)的工作状态。它主要包括图像数据处理、图像显示、有效载荷控制指令生成等功能。

(4) 链路监控软件。链路监控软件主要功能是监视机载测控设备和地面测控设备的工作状况及链路工作状况。可完成链路控制和设备管理，主要包括状态采集、故障分析、监控显示、链路和设备控制命令的生成等功能。

3.2 教学指挥管理系统

3.2.1基本功能

教学指挥管理系统作为训练模拟器整机和教员的人机界面，是模拟器的总控制台。教学指挥管理系统不但完成训练任务的方案布置、训练参数调整及训练评判，而且具备仿真训练的管理功能，包括任务管理、人员管理、打印输出等功能。结合视景系统及计算机软件仿真系统实现任务管理、方案布置、实时调整、训练评判及人员管理功能。

3.2.2实现方法

教学指挥管理系统的硬件部分由可灵活拆装的指挥控制台和管理计算机组成组成，指挥控制台如图3所示。

图3 指挥控制台

为便于随行训练，指挥控制台在结构上采取上下分体结构，下部放置管理计算机，上部安装计算机的输入输出设备，如键盘、鼠标、显示器等，打印机置于指挥控制台上部的后侧内部，不用时将打印机装于指挥控制台内部。

管理计算机采用基于PC的计算机，为增加可靠性，机箱采用工业控制机箱。

在指挥控制台的控制面板上安装有视频切换装置，可供教学人员将指挥控制方舱内的各席位显示画面、指挥控制台显示画面、视景系统画面实时切换显示在指挥控制台上，共教学人员指挥受训人员操作，也可作为训练过程中演示、讲解。

指挥控制台的对讲设备用于指挥控制台和方舱内通话，完成教、学员之间的通信功能。

3.3 视景系统

视景显示系统设计为虚拟三维场景，主要提供真实的操作现场环境。

3.3.1视景系统功能

(1) 视景系统在功能设计上主要完成以下任务：① 显示无人机起飞、着陆、飞行过程中的场景及无人机状态；② 训练环境监视：利用可视化手段全面直观地将训练环境的态势和整个训练过程展示给观摩及评估人员；③ 训练测评：实现对整个训练过程的不同训练席位操作人员的训练监控。

(2) 视景系统可作为教学演示及训练全程可视化展示。主要提供如下功能：① 可对各个操纵席位的操纵、指挥情况实施实时监督；② 可对各操纵席位的机器状态及参数实施实时查阅；③ 可对训练各环节的状态及参数实施实时查阅。

通过可视化监控系统提供的上述功能，可使教员、学员及参观人员详细、直观、清晰地对无人机使用的整个过程以及无人机的使用效能进行有效地演示，使整个过程更为直观。

3.3.2视景系统图像生成

根据训练空域和侦察任务飞行的需求，图像生成系统有以下内容：① 建立图形模型库：包括满足任务要求的、具有多细节层次的地形、地貌、地面特征物、光点等模型，并能在低空时均有纹理描述。② 具有白天、黄昏、夜间工作模式。③ 具有不同高度和厚度的云层，能见度可调。④ 具有形成训练环境的活动目标。

4 结 语

本文采用半实物仿真方式，真实模拟无人机系统性能，建立逼真的系统指挥控制模拟训练环境，用以完成对系统监控、任务控制、任务规划、飞行控制等指挥控制人员的基本技能培训，可以大大提高无人机操作人员的培训效率，缩短人员的培训时间，使无人机装备部队后在尽可能短的时间内形成战斗力。

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