无人机模拟训练系统设计与实现

摘要：现代化战争呈现出明显的无人化趋势，现代无人机被广泛用于执行各种非杀伤性和软、硬杀伤性任务。无人机在执行侦察、监视、打击任务时，对操作手都有严格要求。无人机模拟训练系统作为培训无人机操作手的手段，能使操作手熟悉无人机的各项操作，因此，研制功能完备的无人机模拟训练系统对更好地训练无人机的操作手有重要意义。

关键词：无人机；模拟训练系统；现代化战争；侦察任务；监视任务；打击任务 文献标识码：A

中图分类号：TP391 文章编号：1009-2374（2015）31-0030-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.014

1 概述

本模拟训练系统是在无人机地面站系统硬件基础上搭建的，该系统包括飞行控制计算机、飞行模型计算机、三维视景计算机、任务计算机、飞控机和网络交换机。各部分软件功能如下：

1.1 测控软件

安装于飞行控制计算机，接收来自模拟训练服务器的飞行数据，显示虚拟无人机的飞行参数和飞行航迹，并结合飞行控制面板一起发送控制命令给飞控机，完成对虚拟无人机的控制。

1.2 飞控软件

安装于飞控机，主要完成导航计算和控制率解算。飞控机接收来自飞行控制计算机和飞行控制面板的控制指令，解算后将舵面控制指令发送给飞机模型计算机，同时接收来自飞机模型计算机的飞行高度、空速、飞机姿态、发动机转速等信息，按通信协议打包后，发给模拟训练服务器。

1.3 网络服务器程序

安装于任务控制计算机，完成将422串口数据转化为网络通信数据，网络通信数据转化为422串口数据的数据转换工作，同时接收来自飞控机的飞行参数以及来自训练管理计算机的故障模拟信号，将两者叠加后，发送给飞行控制计算机。

1.4 飞机模型软件

安装于飞机模型计算机，采用有气动参数建立的非线性飞机模型，对飞机的飞行高度、空速、飞机姿态以及发动机转速进行模拟。

1.5 三维视景仿真软件

安装于三维视景计算机，通过网络接收来自飞机模型计算机的飞机姿态、位置坐标等信息和来自模拟训练服务器的飞行控制指令，在三维视景中将虚拟无人机的飞行状态实时显示出来，反映了操作人员的操作过程，给考官及训练人员最直观的感受。

1.6 训练评估管理软件

安装于情报分析计算机，通过网络交换机接收来自模拟训练服务器的飞行控制指令和虚拟无人机的飞行参数，通过比对，判断训练人员的操作正确与否，并予与评分，同时可进行故障信号模拟，通过网络交换机发送给模拟训练服务器。模拟训练系统信号交联图如图1所示：

图1 模拟训练系统组成及信号交联图

2 具体设计及实现

2.1 网络服务器程序

完成测控软件、训练评估管理软件、三维视景软件间422串口数据和网络数据的数据交换、分配。按功能可划分为422串口数据截获及解码和网络数据交换两部分。

2.1.1 422串口数据截获及解码。主要包括从飞行控制面板截获遥控数据、解码并打包发送至网络；从飞控机截获遥测数据、解码并打包发送至网络。服务器在解码遥控帧数据过程中，会对接收到的数据判断属于9类有效数据中的哪一类，并将该类数据的标志位赋值为相应的值，然后把对应的指令代码连同相应的标志位一起打包发送到网络最终传送给三维视景系统和训练评估管理系统使用。服务器在解码遥测帧数据过程中，也会对接收数据的类型进行判断（按空速、气压高度、飞机姿态、故障代码等分类），并将该类数据的标志位赋值为相应的值，然后把对应的指令代码连同相应的标志位一起打包发送到网络最终传送给训练评估管理系统使用。

2.1.2 网络数据交换。模拟训练服务器的网络数据交换采用开放系统结构的客户端/服务器网络模式，即客户端提出任务请求，通过网络发送给服务器，由服务器做相应处理，执行被请求的任务，然后将结果返回给客服端。

2.2 飞机模拟软件

飞机模型软件主要完成无人机数学模型的数字实现。飞机模型从输入到状态输出的各种方程解算等任务。在本系统中，飞机模型的主要作用就是代替真实飞机，接收飞控机发送的四个舵偏角（副翼舵偏角、方向舵偏角、升降舵偏角和油舵偏角），输出飞机姿态信息的12个量。具体输入输出值如图2所示：

图2 飞机模型输入输出值

飞机模型通过串口采集板采集舵机的舵偏量，经过数字滤波算法处理以后作为飞机模型的输入；飞机模型里面载入无人机的吹风数学模型，即4输入（方向、升降、副翼、油门）和12输出（俯仰角、滚转角、偏航角、俯仰角速度、滚转角速度、偏航角速度、迎角、侧滑角、空速、高度、飞机坐标X、飞机坐标Y）组成的非线性微分方程。通过解算非线性微分方程得到输出量，然后分别通过串口发送姿态量给测控软件、通过网络发送解算数据至交换机再送入三维视景仿真系统。

2.3 三维视景仿真软件

图3 三维视景中飞机起飞情景

三维视景系统能够实时显示无人机的飞行姿态，包括俯仰、倾斜、舵面的偏转、螺旋桨的转动等，还可以显示无人机从起飞到降落的各个动作，主要包括弹射起飞、抛弹、平飞、左盘、右盘、爬升、下滑、伞降等。这样可以更加形象地将飞机的每个姿态展现在操作手的面前，让操作手能够很直观地感受到无人机的飞行状态，从而有一种身临其境的感觉。图3是三维视景系统模拟飞机起飞的情景：

三维视景系统大体分为三个部分：一是创建模型部分，包括飞机模型、弹射器模型、火箭弹模型、地形模型等的建模，这部分由第三方软件Creator来制作，格式为FLT文件形式；二是设定以上各个模型的初始位置，将其所有初始坐标信息生成为一ADF文件，该文件由第三方软件Vega来创建；三是实现飞机模型动态过程，由于初始坐标信息生成ADF文件的数据为静态时的数据，要做到无人机的三维仿真，飞机模型需完成一运态过程，因此就要做到ADF文件中的各个模型的参数是在实时改变的，实现这一过程需要通过软件开发工具编程来完成。endprint

三维视景系统接受两部分数据：一是飞机模型发送过来的飞机的6个姿态数据和3个舵机偏转量；二是模拟训练服务器转发的遥控命令。第一部分数据是为了表现飞机在地图中的空间位置和实时的舵面偏转。第二部分数据是为了表现飞机在各个状态切换时所做的动作。比如点击起飞命令时，飞机模型开始给三维视景系统发送飞机位置数据，同时火箭弹也开始喷火，这个特效开始的时间三维视景系统是无法提前预知的，因此需要接受遥控命令，需要知道的遥控命令有自检、起飞和开伞。

2.4 训练评估管理软件

训练管理系统软件结构主要包括三个部分：评价打分、故障模拟、语音报警。

2.4.1 评价打分。评价打分的主要设计思想为对比分析，完成对操作手飞行前训练评价及飞行中训练评价。训练评估管理软件通过获取操作手的操作数据与考官标准数据进行对比记分。完成训练评估管理软件设置的所有考题后，自动计算出总分数。通过其总分来评估一个操作手对无人机操作的熟练程度。

2.4.2 故障模拟。由于模拟系统的飞控软件采用机载飞控软件，其故障产生来源于传感器的环境参数，在模拟环境中不便实现，因此由考官“人为”设置模拟故障代码，来训练操作手对每一级故障的处理熟练程度。故障指令代码包括一级故障、二级故障和三级故障。一级故障有发动机停车故障、小速度故障、低高度故障、升降舵故障、副翼舵故障和双电源故障；二级故障有风门舵故障、油门超上限故障、方向舵故障、发电机组电源故障、遥控链路断故障和测控链路断故障；三级故障有GPS丢失故障、无线电导航错误故障、空中油门固死故障、高度超标故障、飞行距离超过90km故障、速度边界告警、高度边界告警和姿态边界告警。

2.4.3 语音报警。语音报警功能类似有人机中央告警功能，实现飞机状态定时语音提示及故障告警。

语音报警功能由microsoft公司的speech SDK 5.1以及精灵软件工作室的SmartRead SDK语音开发库7.0实现。SAPI SDK是微软公司免费提供的语音应用开发工具包，这个SDK中包含了语音应用设计接口（SAPI）、微软的连续语音识别引擎（MCSR）以及微软的语音合成（TTS）引擎等。目前的5.1版本一共可以支持2种语言的识别（英语和汉语）以及2种语言的合成（英语和汉语）。SAPI中还包括对于低层控制和高度适应性的直接语音管理、训练向导、事件、语法编译、资源、语音识别（SR）管理以及TTS管理等强大的设计接口。

语音引擎则通过DDI层（设备驱动接口）和SAPI（SpeechAPI）进行交互，应用程序通过API层和SAPI通信。通过使用这些API，用户可以快速开发在语音识别或语音合成方面应用程序。然而，在新发布的.net speech SDK里面并没有对中文语音进行支持，目前支持中文的Speech SDK最高版本为Windows平台下的speech SDK 5.1。此外，speech SDK 5.1的语音库只支持中文男声，中文女声则需要精灵软件工作室的SmartRead SDK语音开发库4.0提供支持，所有中文语音库基本都提供了对GB2312字库所有汉字的支持。因为中文女声库的声音较中文男声库的声音更加犀利、清晰，因此使用中文女声库进行TTS语音合成，可通过调用SmartRead SDK动态连接库进行中文女声的加载信息语音合成，合成的语音通过声卡的输出端直接与混音台的输入相连，最后通过功放后驱动音箱发声。

3 结语

无人机地面站系统硬件基础上集成了模拟训练功能，实现了用和练的有机结合，体现了系统操作的方便性、实用性和完整性。为中小型无人机通用地面站研制打下了软件技术基础，在此基础上的拓展和延伸可以方便地运用于其他无人机项目中。自主设计了一套模拟训练的考评软件，该软件适用性强，可推广到其他型号无人机的系统设计中。

参考文献

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作者简介：谢迪（1982-），男，四川成都人，中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司工程师，工学硕士，研究方向：无线电测控技术。

（责任编辑：周 琼）endprint