无人机仿真训练系统设计与研究

申斌 宫海龙 梁少军 李晓龙

摘 要：无人驾驶飞机是利用自备程序控制装置以及无线电遥控设备操纵的不载人飞机，随着其研发技术的进一步发展，无人驾驶飞机在民用以及军事等领域占据的地位日益重要。所以，设计与探究无人机仿真训练系统，结合虚拟现实仿真技术，使操作人员在训练过程中获得形象、丰富的体感，强调其在虚拟环境中的主导作用，能够为进一步提升我国无人机技术力量奠定坚实基础。该文第一部分分析了无人机仿真训练系统的研究意义，为设计的可行性提供理论基础；第二部分对系统的整体结构进行概述，强调了系统功能以及需要进一步完善的模块；第三部分与第四部分则分别研究了无人机仿真训练系统的工作原理、功能模块，分析了无人机训练的要点以及急需强化的部位；第五部分研究了无人机仿真训练系统设计成果特点，为进一步研发高新系统，促进科学研发、国民经济以及国防装备试验力量提供良好借鉴。

关键词：无人机 仿真训练 原理功能

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（a）-0063-02

仿真训练系统是当前无人机中应用最为广泛的技术之一，其以专用物理效应设备以及计算机为工具，在一定的系统模型上试验假想或者真实的系统，通过分析研究试验结果，以做出最终决策。不过，在过去的计算机仿真系统中，操作人员往往为旁观者，不能根据自己的视点调节可视场景，导致用户缺乏了身临其境的感觉。所以，结合虚拟现实，研发虚拟仿真训练系统，能够帮助解决遗留的人机交互缺乏的问题，在新概念、新方式、新内容以及新方法的引领下，使得无人机训练的方式更加和谐，内容更加形象，为提高我国的无人机操作能力做好充足准备。

1 研制意义

无人驾驶飞机是一种复杂的技术设备，其不仅能够进出危险空域，发挥自身特殊效用，而且能够完成过去许多只有有人机才能够完成的任务，并利用自身自重轻、体积小、成本低的特点，极大地改变了人们生活。所以进行必要的技术训练，对于提高无人机飞行的准确性具有重要意义。但是作为高新武器装备，无人机的价格十分昂贵，且其寿命十分有限，其不允许被多次训练使用，除此以外，无人机中一些训练科目操作还具有较大的危险性，所以为了防止资源浪费以及训练事故的发生，研制高技术含量的无人机仿真训练系统十分必要，其能够不仅能够进一步简化无人驾驶飞机的操纵的过程，使指挥人员能够熟悉无人机操作、维修技能，而且指挥人员有机会进行反复的技能练习，使执行的任务能够被高效、准确地完成。在无人机计算机仿真系统的基础上，构建虚拟仿真系统，使无人机飞行位置、姿态以及高度，逼真、形象地显示在指挥员眼前，帮助其掌握基本的飞行控制规律。建立完善的无人机仿真训练系统，能够使指挥人员在计算机前享受人机互动，通过在模拟情境中操作无人机起飞、控制无人机飞行，从而实现训练指挥人员操作技能以及遵循预定路线完成飞行演练的目的。无人机仿真训练系统的研制能够使指挥人员在不受节能、经济、气象条件等限制下，反复、高效、安全地进行飞行演练，大大减少了训练费用以及提高了无人机指挥人员的动手能力。目前，设计研制的无人机仿真训练系统不仅能够提供评价无人机系统品质的全方位仿真平台，而且还可以构建通用全数字的飞行仿真训练系统模型，学员通过在发动机控制系统、飞行控制系统、导航系统等无人机仿真模块中进行练习，从而对自身的操作水平得到定性定量分析，在清楚的认知下获得及时的查漏补缺。

2 系统整体结构概述

无人机仿真训练系统应包括上位管理、视景仿真、地面控制以及飞行仿真4大模块，具体结构如图1所示。

无人机仿真训练系统的4个模块紧密相连，例如，上位管理机与地面控制台是训练系统总体走向与流程的指挥系统，飞行仿真模块作为系统各模块运行的基础，需要确保自身实时性、可靠性，以提高系统综合效率。具体来看，四者联系可以分为以下三个部分：首先，上位管理机需要通过无连接的数据报文方式为视景仿真以及飞行仿真系统发送一定的控制命令与初始化参数，并辅助训练员全面评估自身的训练情况。在上位管理机模块中可以细化为训练科目、多媒体教学、视景初始化、故障模拟以及成绩评估五个方面。训练科目主要是在初值设定的前提下负责向飞行仿真系统发送开始、停止训练的指令；多媒体教学则主要是为学员提供声音、图像、文字等渠道的教学模式；视景初始化担当为视景系统提供环境参数的功能，其能够回显目标以及炸点位置；故障模拟能够给飞行仿真设定无人机的各项故障指令；成绩评估则能够评定学员的训练情况，并将其飞行成绩保存在数据库中，以随时随地查阅。其次，飞行仿真与地面控制台之间的通讯是双向的，飞行仿真的接口软件能够接收地面控制台发送的开关控制、遥调、航迹规划、航程点更新等各个指令，并在处理后输出无人机速度、高度、姿态、电压电网、航迹偏差、控制状态等信息，使其显示在地面控制台上。最后，飞行仿真在向地面控制台输送指令的同时也需向视景系统输送相应数据。不同种类的景物能够组成三维场景，不同类型的模型能够构成虚拟仿真环境，如果三维虚拟环境中的景物种类不同，其仿真处理也应发生相应变化。所以视景系统接受的飞行仿真数据应主要为上位管理机中设置的环境参数，以方便学员在训练时随时更换训练场景，提高自身训练效果。

3 工作原理

设计的无人机仿真训练系统主要由虚拟仿真与工控机两个高新技术组成。一方面，虚拟仿真是借助一个系统模仿另一个真实系统的技术，其实时性、交互性与逼真性的特征能够为无人机仿真训练系统提供强有力的支撑。虚拟仿真技术作为当今研究的热点，主要借助以计算机为核心技术的现代科技生成，逼真的视、听、触觉使学员在一定设备的辅助下能够以自然状态与虚拟环境中的对象进行交互，并互相产生影响，从而产生等同于在真实环境中活动的体验与感受。而在无人机训练系统中应用的虚拟仿真技术，能够为学员创造一个相互作用与反映实体变化的三维虚拟世界，并通过辅助的传感设备，使学员直接参与探索无人机飞行时的姿态、速度等特征，以及其可以随时更换飞行场景，提高自身指挥能力。虚拟仿真技术的实现主要依靠MATLAB/Simulink，并通过Simulink搭建无人机的控制模型、飞行动力学模型以及导航模型等，通过MATLAB开发设置仿真参数。

在无人机仿真模拟训练系统中，虚拟仿真技术主要由系统、环境、信号处理三方面组成。第一，系统模块主要包含了无人机动力学、导航、控制以及发动机等功能模块，首先其由制导功能向控制功能发出飞行轨迹姿态指令，然后针对无人机模型设计特点，计算飞行任务完成下的发动机推力调整量与舵面偏转量，最后将这些操控数据发送到无人机动力学处，使其做出相应调整。

第二，在环境方面仿真技术考虑了风场、地形、大气状态、重力加速度等外界，在学员自行设置的基础上实现训练效果的全面化。第三，由于无人机仿真训练系统能够支持学员进行操纵杆控制，所以要求中心系统在接受来自操纵杆的姿态调整、油门、升降等指令后，能够利用模型解算接收的数据指令数据，以实现控制无人机飞行高度与姿态，使用户在模拟训练时更加方便快捷。

另一方面，无人机仿真训练系统中还需要采用以工控机为核心的电气控制方案。工控机，全称为工业控制计算机，其能够在总线结构额基础上对机电设备、生产过程以及工艺装备进行控制与检测。首先，工控机具有重要的计算机特征以及属性，例如，其具有计算机内存、硬盘、控制网络等。其次，工控机非常特殊，其属于一种中间产品，能够为其他行业提供智能化、嵌入式的可靠配制。在无人机仿真训练系统的设计中引入工控机，既能够满足系统中各项性能指标的需求，又能够高效调节发动机马力等电气设备，保证训练的正常进行。首先，由于工控机的机箱采用钢结构，所以其能够防止学员在进行无人机指挥训练时因磁、尘、冲击等客观因素而被迫停止的现象发生，其对于保证学员训练评估成绩的准确性具有重要意义；其次，工控机采用标准机箱，其具有专用电源以及安有ISA与PCI插槽的专用底板，保证了电源较强的抗干扰能力，实现了无人机仿真训练的有序、高效性；最后，工控机能够连续长时间作业，使得学员在进行无人机仿真训练时不会受到意外终止的威胁。工控机在无人机仿真训练系统中的应用在提高训练效果方面具有重要意义。

4 功能模块

无人机仿真系统可以划分为11个功能模块：第一，运动学特性仿真模块，其仿真步长限制在10 m/s内，主要利用系统设置的数学模型程序进行实现。对于计算机而言，仿真训练系统大约需要每隔55 ms就发生一次硬件中断，如果利用传统定时器控制中断，显然其无法满足仿真周期的高精度，所以在运动学特性仿真模块中需要采用精确的多媒体定时器，通过事先在程序中设定无人机位置、爬升率等仿真初值，使得各评价参数能够在准确的初值上得以解算与累加。第二，TCP/IP协议通信模块。在无人机仿真训练系统中可以将两台计算机的网络通讯设置为TCP/IP协议，在结合多线程以及广播方式进行数据发送的技术基础上实现系统的可靠运行，为解决数据传输的实时性问题奠定了坚实基础。第三，故障设置模块。为了能够提高指挥人员的应变能力，在进行训练时可以使学员在该模块中体验一定的应急事故处理。在故障设置模块的存在可以将指令失效、发动机停车、目标失踪等意外情况融入到训练过程的任意时段之中，确保仿真训练的全面性。第四，指令输入与显示模块，其不仅能够直接接受到接收机中的数据信息，并及时将其中的指令名称以及时间进行准确记录，而且其能够在发射面板的用户界面向外发送模拟遥控指令。一般地，可以将接收的接收机中的实时指令再通过隔离型数字量输入板以及电平转换接口卡之后引入到计算机额总线扩展槽，以及时采集实时指令。第五，航路规划，设定模块。在现实情境中，指挥人员需要在执行无人机飞行任务前根据实际环境以及任务类型规划、制定航行路线。所以，在仿真训练中设置该模块，能够更加贴合现实，指挥人员在训练前可以先在模拟飞行区域中编辑、显示航线，并以文件的形式将制定的航线保存在计算机中，为之后的虚拟训练做好充足准备。第六，飞行数据显示模块。在仿真训练系统中一共有数字与仪表两种显示方式，数字显示更为准确，能够有效训练指挥人员的精确领航能力；仪表显示是在标准航空仪表盘的使用下为指挥人员创造身临其境的感觉。第七，气象设置模块。在现实情境中，不同的气象条件均会对无人机的飞行航线产生程度不一的影响，特别是风向、风力等气象条件直接影响着无人机的航迹。在无人机仿真训练系统中涉及气象设置模块，能够有效、灵活地设置学员训练过程中的气象条件，保障其飞行指挥能力的全面提升。第八，飞行航迹显示模块，其既能显示事先制定的航线，也能显示飞行区域的航迹，使指挥人员能够准确做出航线调整的判断。除此以外，该模块还能显示指定航线与无人机位置间的偏航距。第九，飞行过程回放软件。该软件能够使帮助学员在训练结束后回放整个的飞行过程，使学员能够在观看中及时纠正错误操作，总结训练成果，以最大限度地提升学员的专业素质。第十，飞行数据记录软件，其主要记录相应时刻下的飞行参数，并且为了能够事后对训练过程进行评估，分析，这些参数均会以二进制格式进行保存。第十一，结果评估软件，其具有客观评估训练结果的标准，在此标准下，该模块能够找出每次训练中的错误，在将其与任务要求做比之后评判学员训练成绩，并告知学员问题出处。

5 结论与成果特点

总而言之，在无人机训练中设计仿真系统，能够在展现室内训练大型武器装备的同时将训练风险以及损耗降到最低，从而促进学员指挥能力的能力。在原有训练系统中进行一定的仿真改造，真正实现虚拟仿真技术与工控体计算机的相互融合与渗透，在满足系统仿真度与精度的前提下明显缩短学员掌握操作时间，例如，在飞行姿态调整训练中，学员原有的操作领会时间为35 min，但是在引入仿真训练系统后则缩短至现在的15 min，为实际教学中带来良好效果。尤其是无人机仿真训练系统中的任务载荷仿真，其能够精确模拟实际侦察任务中无人机的各项动作，并及时向图像生成系统实时传输生成的一系列数据，通过利用LOD技术，使得场景的几何复杂性能够在画面视觉效果不受影响的前提下进行一定简化，从而实现计算效率的大大提高。无人机仿真训练系统常常先用小波分析方法对飞行数据进行了滤波，以有效防止抖动现象的出现。投入使用设计的无人机仿真训练系统，能够使学员在参与训练时体验真实情境，训练自身指挥无人机起飞、着陆以及按航线飞行的快感，并利用三维图景对侦查的信息进行观察，全方位搜索控制任务侦察平台。所以，可以说无人机仿真训练系统的使用能够给学员训练更加直观、逼真以及舒适的感觉，在反复训练中达到操纵熟练额基本目的，为提高操纵人员训练效率，实现新型无人机的广泛应用奠定坚实基础。

参考文献

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