舰载无人直升机训练保障虚拟仿真技术研究

江 煜，孙玉波

(1.海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333000；2.海军驻洛阳地区航空军事代表室，河南 洛阳 471000)



舰载无人直升机训练保障虚拟仿真技术研究

江 煜1，孙玉波2

(1.海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333000；2.海军驻洛阳地区航空军事代表室，河南 洛阳 471000)

通过建立包括无人直升机、运输保障车、测控车及各级保障人员的仿真模型和设计合理的仿真界面，进行舰载无人直升机训练保障流程的全过程仿真。

舰载无人直升机；训练保障；虚拟仿真

0 引言

如果无人机的操作训练依赖于实装来开展，则受到场地、人员、装备维护保养的限制，具有效率低、代价高、训练内容片面的弊端。利用虚拟仿真训练保障系统进行无人机操作训练，能够有效克服实装训练中存在的问题，且经济、智能、可重用，具有广阔的应用前景。在虚拟仿真系统中，可以打破空间、时间的限制，完全、自由地置身于仿真的训练场景中，获得逼真的操作感受。利用虚拟仿真系统，保障人员可以足不出户进行反复操作训练，直至其完全掌握维护技能，熟悉操作流程[1]，不会因设备、场所、经费短缺而影响训练，也不会怕损坏实装而减轻训练强度，从一定程度上节省了训练经费。

本文应用最新虚拟仿真技术，“以虚代实”，利用计算机产生一种人为虚拟的并可交互操作的三维动画环境，从而使操作人员沉浸在计算机所创建的可视化的舰载无人直升机训练保障环境中；操作中可与虚拟的训练保障环境中的对象进行直观“互动”，通过训练可以使操作人员逐渐熟悉无人直升机的训练保障流程。

1 仿真模型与虚拟场景的创建

在一般的数值模拟仿真中，人们只能得到诸如表格、图示和数据之类的结果。虽然这些结果在某些方面可以帮助人们认识了解自己所做的工作及其意义，但是并不能直观地帮助人们去观察，那些表格、图示以及数据无法给人以最为直观深刻的视觉展示，不能将问题简单明了地展现在人们面前。

视景仿真技术就可以帮助人们实现这样的功能，通过逼真的模型和虚拟场景，用已知的数据对模型加以控制，栩栩如生的画面就展示在人们面前。

1.1 虚拟环境的实现方式

在虚拟环境的实现环节，采用的是基于OpenGL接口的方式。OpenGL具有很强的图形处理能力，是行业领域中最为广泛接纳的 2D/3D 图形 API。OpenGL自诞生至今已催生了多种计算机平台及设备上的数千优秀应用程序。OpenGL是独立于操作系统的，亦是网络透明的。在包含CAD、内容创作、能源、娱乐、游戏开发、制造业、制药业及虚拟现实等行业领域中，OpenGL帮助程序员实现在PC、工作站、超级计算机等硬件设备上的高性能、极具冲击力的高视觉表现力图形处理软件的开发。

使用OpenGL进行开发具有很强的可移植性。由于它是个与硬件无关的软件接口，可以在不同的平台如Windows、Unix、Linux、Mac OS、OS/2之间进行移植。因此，支持OpenGL的软件具有很好的移植性，可以获得非常广泛的应用。由于OpenGL是底层图形库，没有提供几何实体图元，不能直接用以描述场景，但通过转换程序可以很方便地将AutoCAD、3DS/3DSMAX等3D图形设计软件制作的模型文件转换成OpenGL的顶点数组，正符合本系统的开发需求。

使用OpenGL开发可以方便地利用已有资源，提高开发效率。在OpenGL的基础上还有Open Inventor、Cosmo3D、Optimizer等多种高级图形库，适应不同应用。其中，Open Inventor应用最为广泛。该软件是基于OpenGL面向对象的工具包，提供创建交互式3D图形应用程序的对象和方法，提供了预定义的对象和用于交互的事件处理模块，创建和编辑3D场景的高级应用程序单元，有打印对象和用其它图形格式交换数据的能力。

1.2 模型数据结构的构建

根据系统对数据结构的需求，对零件模型数据结构进行合理的设计，采用对各种模型数据信息归纳分类的方式进行系统模型数据结构组织，其初步数据结构组成如图1。将模型数据信息抽象分为五大类，分别是几何信息、模型位姿信息、行为信息、约束关系信息和物理属性信息。其中，几何信息包括几何特征信息、几何要素信息及几何要素拓扑关系信息，即具体加工特征和尺寸参数；模型位姿包括模型位置坐标和方向信息，即零件模型的空间位姿矩阵；行为信息包括装配顺序、装配路径、运动方式等；约束关系包括零件之间的装配或接触关系，如贴合、对齐、相切、插入等；而最后的物理属性信息则主要包括零件自身的非外形特征属性，如代号、技术要求、设计版本、材料、纹理、类型等[2]。上述信息分类对单个零件和多个零件组成的部件同样有效。根据上述数据结构组织方式，对于复杂机械结构来说，其最终的数据模型为树状结构，如图2所示。其中，圆形节点代表装配体或子装配体，方形节点代表单个零件，各节点之间的数字代表装配方式，但无论是哪一节点，都包含自身上述五类信息。

图1 模型数据结构简图

在模型数据信息的构建过程中，模型数据的优化非常重要。模型数据信息的优化实际包含两个方面，一方面是缩小模型信息的体积，减少存储空间的占用，降低数据信息的读写量；另一方面就是对数据信息合理定义，提高其描述能力和可分析性。

缩小模型信息的体积，一个有效的方法就是对重复零件的信息进行合并。考虑每个复杂机械产品，其中通常会存在大量的重复零件，如螺栓，如果对每一零件都分别建立数据模型，必然会生成大量的重复数据，导致整个产品的数据模型严重冗余。为消除冗余，首先需要对产品中使用的相同零件加以标识，然后对零件数据信息进行甄别，对重复的部分，如零件的几何特征信息、物理属性信息等，只保存一份；而对不同的部分，如零件的装配位置，则根据前面的零件标识分别储存，在需要对零件进行数据操作的时候，从零件模型信息中分别获取两部分的数据并加组合即可。这种办法虽然增加了一定的系统内部程序处理过程，但可以大大减小模型信息的体积。而随着系统内部涉及产品的增多，出现跨产品使用的零件，可以单独建立一个零件数据库，用以保存所有零件的公共信息。对于库中已有零件，在新的产品模型建立的时候，可以直接调用，并根据其在产品中的使用方式添加部分信息即可，大大提高产品数据模型建立的效率。而随着零件数据库的完善，这种提高将越来越显著。

图2 树状数据模型结构简图

就模型数据信息的定义来说，其主要的作用是对模型数据信息的标准化和符号化描述。众所周知，计算机系统对语言文字的意义是很难进行分析识别的，所以为了提高系统的执行效率，需要对模型数据信息进行符号化定义，其最终形成的信息描述集成度越少，系统的执行效率就越高，相应地代码开发量越小。而为了减少信息描述集成度，必然需要对意义相同但文字表述不同的信息进行标准化，使之能够被一个定义代替。

实际上，模型数据信息优化的两个方面是相辅相成的，模型数据信息的标准化和符号化必然会带来模型信息的减小，而重复数据的合并可以看作是某种意义下的信息标准化。最终，对零件数据信息的优化将产生信息的高度抽象，不但需要建立单独的零件库，而且还需要建立物理属性库、装配关系描述库、加工方法描述库和特殊语义信息库等。

1.3 模型的建立

训练虚拟仿真过程是以保障对象及其相关设备的三维实体模型为基础的，因此，三维建模是虚拟仿真训练保障系统设计的核心。三维模型的构建可以二维图纸和测绘为依据，利用三维建模软件建模得到。

图3 无人直升机模型

图4 运输保障车

图5 测控车

图6 训练保障人员

2 虚拟场景的搭建

模型创建之后，需要对模型进行相关的配置，搭建起仿真的虚拟场景。在这个虚拟场景中对模型进行控制，一般要加入地形效果、海洋、天空、光等等，就是要完善一下模型运行环境，提高虚拟环境的真实度，让观察者更容易接受。

要通过计算机再现舰载无人直升机系统训练保障流程，必须建立虚拟的无人直升机保障场景模型。虚拟场景由舰船、海洋、天空等组成。

图7 舰基环境下训练保障场景模型

3 训练保障虚拟仿真系统的开发

采用基于OpenGL接口的方式开发舰载无人直升机训练保障虚拟仿真演示软件。该系统能够实现场务准备、机务准备、测控车准备和无人机起飞降落等训练保障的仿真。其主要功能如下：

1)飞行任务单参数输入窗口。给出满足无人直升机起降条件要求的气象条件，完成训练保障科目所需的设备等，编制依据，试验/试飞内容和步骤以及无人直升机的准备流程等。

2)场务准备。通过运输保障车内的拖车实现无人直升机的装卸，场务人员通过推动推机点将无人直升机推至舰面甲板的规定起飞位置。

3)机务准备。按照各检查站位点顺次完成无人直升机各部位的飞行前检查，飞行前检查结束后加注燃油/滑油。

4)测控准备。无人直升机准备就绪后，由一名飞行指挥员用电脑通过串口通信与无人机连接，从而获取起飞点位置坐标并加载航路点。

5)飞行。无人直升机在做好场务准备、机务准备和测控准备后，随即从舰面上起飞，在测控车内测控人员的控制或监控下进行飞行训练。

3.1 系统总体结构设计与详细设计

采用自顶而下的设计方法进行系统总体结构设计，主要工作包括：根据系统需求分析确定整个系统的体系结构并划分子系统；确定子系统的模块结构；配置软件开发和运行的软、硬设备；确定数据(三维模型和其他相关信息)的存贮方式；对整个系统实现的规划等。详细设计主要包括处理过程设计、代码设计、界面设计、数据库设计、输入输出设计等。

3.2 数据接口的实现

系统需要的模型文件从其它三维设计软件中导入，导入数据主要分为三部分：模型图形信息、模型特征信息和装配信息。

对于模型图形信息来说，由于三维设计软件自身的文件格式都是保密的，必须通过中性文件进行转换操作，在系统中，需要开发相应的中性文件导入接口。

模型特征信息的识别和获取，这个过程无法在模型导入后完成，但可以在建模软件中进行，具体方法是对建模软件进行一定程度的二次开发，生成特征识别功能，并将特征信息按照一定格式输出。在进行模型导入的时候，对于图形信息和特征信息，必须同时导入，并进行可靠性校验[2]。

装配信息的导入，可以采用两种方法：一种是采用对建模软件进行二次开发的方法，直接进行装配信息读取，优点是操作简单，但在实际过程中，可能产生兼容性错误；另一种方法是，将零件模型导入系统之后，进行重新装配，在系统内部进行装配记录，优点是灵活准确。在本系统的开发中，拟采用第二种方法进行装配信息的获取。

在装配信息导入过程之中，需要注意的是，与单一的设计建模软件不同，系统中的零部件之间关系分为两种：位置关系和安装关系。其中位置关系是指对两者空间相对位置的定义，而安装关系是指两者之间的实际安装关系。

3.3 人机交互

人和虚拟环境的交互主要包括以下三个方面：

1)可视性：交互动作能够在虚拟环境下生成和显示。

2)可感知性：虚拟环境能感觉到人的存在和交互动作。

3)可理解性：虚拟环境能够理解输入的交互操作并据此做出符合规则、规范的反应。

其中第一方面在虚拟环境生成时已经部分实现，而针对其他两方面的实现，其关键技术是序列检索识别、模型空间变换、模型空间拾取和模型碰撞检测。

序列检索识别是对输入的鼠标、键盘序列进行识别，并与预定义的标准操作序列进行比较和匹配，从而理解用户输入意图，执行相应的处理程序。

模型空间变换是指模型相对固定空间进行任意旋转、缩放操作，使之产生期望中的变化，可以通过Open GL实现。

模型的拾取是指通过输入设备(鼠标、键盘)在虚拟环境中选取某个模型，以其作为后续操作对象的过程。其主要技术思路是根据输入设备的屏幕坐标，通过投影矩阵和观察矩阵把该坐标转换为通过视点和输入设备的一条射入场景的光线，与该光线最先相交的模型，即为拾取对象。

碰撞检测主要应用于模型的装配过程，用以判断两模型之间是否存在形状干涉。目前常用的方法包括顶点干涉检查法和包围盒法等，但这些方法都存在不同的缺点，或者检测速度不够理想，或者存在误差。本系统的开发将综合采用多种方法进行碰撞检测，在兼顾效率的情况下，尽量提高检测精度[1]。

3.4 系统效率和数据整理问题

系统运行使用过程中，需要消耗大量的硬件资源和计算时间，且随着装备特征形状的复杂和零部件数量的增加，这种消耗将以几何级数扩张。解决这一问题，可以采用空间换时间，化整为零的方法。

在系统数据之中，信息之间的关系和约束使众多信息构成了一种网状结构，如果直接对其进行解析，按照图理论，存在的可能路径数量众多，每条路径经过的节点也很多，这是造成系统决策复杂的一个直接原因。可以采用数据挖掘技术对数据进行整理，简化关系约束网，从而降低决策的复杂性，提高系统效率，但这一方法需要牺牲部分存储空间来保存新生成的关系。数据挖掘技术是一种智能技术，从普通的数据中利用多种技术抽取可理解的、隐含的、有用的知识，从大量的数据中发现隐含的趋势和模式，从而辅助决策。数据挖掘的输出形式是隐藏在数据中的模式、趋势和规则。在系统应用数据挖掘技术的时候，首先归纳出系统可能进行的操作，找出其影响因素，以此作为目标，进行数据挖掘，并将结果保存，在实际进行操作的时候再加以调用，可以大大加快决策速度。

实际上，数据挖掘消耗的资源巨大，不宜实时进行。为此，可以采用化整为零的办法。系统存在很多空闲时间，可以通过程序处理，使系统在空闲时间进行数据挖掘工作。

3.5 仿真界面的设计和功能设置

界面设计是应用程序的重要部分，是进行人机交互的主要通道。界面设计是否合理是衡量视景仿真功能的一个重要指标，它可以让观察使用者最大程度地发挥出系统的效用，更容易被观察者接受。

1)仿真界面的设计

仿真界面如图8所示。这个界面的布局分为三部分：左侧为指令控制区，指令包括飞行任务单、飞行准备(场务准备、机务准备和测控准备)、无人机至起飞点、飞行、视角(现场总指挥、机务人员、场务人员、飞机、和全景等)和退出命令等；右侧设有即时信息显示窗口，显示人员岗位说明及资源配置信息；指令区和信息显示窗口可以在鼠标操作下进行拖动；剩下的整个区域为视景展示区域。

图8 仿真界面布局

2)操作界面的功能设置

操作仿真界面的作用是让用户更好地使用仿真应用功能，更方便地满足使用需求。仿真界面的好与坏直接关系到仿真应用功能的使用，好的界面可以简单便捷地发挥仿真应用的功能；相反，就可能让用户完全摸不到头脑，造成事倍功半甚至无法操作的效果。

本演示系统的仿真界面上，可以实现如下功能：

① 观察视角的变化

主要是控制视景展示区域内视角位置的变化，在训练保障仿真演示流程进行的同时，使用者可以切换到以下视角分别进行观察和交互操作：现场总指挥、飞行指挥员、测控指令员、飞行操作员、任务监控员、机务人员、场务人员、飞机以及全景。如图9所示。

② 训练保障仿真流程实现

打开舰载无人直升机虚拟仿真演示系统后，如图10所示，依次点击指令控制区的各按钮，通过交互操作可以实现以下功能：飞行任务指令的下达，飞行准备中的场务准备、机务准备和测控车准备，飞行仿真演示。

图9 视角操作菜单

图10 指令菜单

4 训练保障虚拟仿真系统运行验证

无人直升机训练保障流程如图11所示。在下达飞行任务指令并满足起降气象条件后，该保障流程主要包括三部分，分别是场务准备、机务准备和测控准备。

4.1 飞行任务下达

打开训练保障演示仿真系统后，点击指令中的飞行任务单，下达飞行任务指令，生成此次任务的飞行任务单(图12)。飞行任务单中选项包括：飞行需要条件、完成科目所需设备、仪器、编制依据、试验/ 试飞内容和步骤以及某型无人直升机的准备流程。

4.2 场务准备

1)运输保障车卸下无人直升机。

如图13所示。

图11 训练保障流程

图12 飞行任务单

图13 运输保障车卸下无人机

2)无人机至起飞点。

如图14所示。

图14 无人机至起飞点

4.3 机务准备

机务准备主要是负责完成无人直升机试飞前后的安全检查(图15)。

图15 飞行前检查仿真

4.4 测控准备及飞行仿真

包括两部分内容，分别是获取起飞点坐标和航路点加载。无人机准备完毕后，由测控车内飞行操作人员控制起飞(图16)。

图16 飞行仿真

5 结 论

本文围绕舰载无人直升机实际训练保障过程中的场务准备、机务准备和测控准备等三个方面，在提供较为真实的舰基视觉效果的条件下，可以转换不同观察视角并通过交互操作来实现舰载无人直升机训练保障过程的虚拟仿真。系统可操作性强，具有良好的人机交互界面，具备良好的容错性与可靠性。使用该系统进行虚拟仿真训练，不仅可以不受任何气象条件和使用场所的限制，而且可以用于训练的各个阶段，从而达到辅助机务人员成长的目的，可为舰载无人直升机综合保障打下一个良好的基础。

[1] 王行仁. 飞行实时仿真系统及技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.

[2] 吴重光.仿真技术[M].北京：化学工业出版社，2000.

Technique Research of Training Support Virtual Emulation for Shipborne Unmanned Helicopter

JIANG Yu1，SUN Yubo2

(1.Navy Aeronautic Representative Office to Jingdezhen, Jingdezhen 333000, China; 2.Navy Aeronautic Representative Office to Luoyang, Luoyang 471000, China)

This paper gave the introduction of establishing emulating model, including unmanned helicopter, transportation support vehicle, measurement and control vehicle and all grades of support personnel, and combining with logical emulation interface design to perform the complete procedure emulation of training support flow of shipborne unmanned helicopter.

shipborne unmanned helicopter; training support; virtual emulation

2015-01-14

江 煜(1981-)，男，江西景德镇人，硕士，工程师，主要研究方向：无人直升机。

1673-1220(2015)02-043-07

V216.7

A