基于机载代码的无人机模拟训练系统设计与应用*

卢春燕,田 峰,周英博

(成都飞机工业(集团)有限责任公司,成都 610092)

0 引言

随着科技进步的发展,无人机成为当今世界的热点[1]。想要把无人机的性能充分发挥出来,操作员就必须进行大量的飞行训练[2]。采用真实无人机进行飞行训练,如果操作员操作不当或当飞机出现故障时,那么极有可能造成无人机坠毁。同时,每进行一次飞行就会消耗大量的人力、物力,使得训练成本极为高昂[3]。在这种背景下,无人机模拟训练系统应运而生。

目前世界军事强国相当重视无人机模拟训练。美国在无人机模拟训练器上投入了大量资金,并建立了综合训练中心,并将训练过程制度化;俄试飞院拥有飞行模拟器多达十余种[4];西欧国家将模拟训练器/系统作为军备竞赛的一个重要方面,国内相关单位也建设了模拟训练系统。但是,模拟训练系统的逼真性直接影响到操作员的沉浸感、真实感和训练效果。

文中针对模拟训练系统逼真性这个问题,提出了一种基于机载代码的无人机模拟训练系统设计方法。该系统不仅可以提高操作员的训练效果,还可以加快无人机研制进度。

1 系统设计

1.1 总体设计

为了使模拟训练系统具备高逼真性,无人机模型与真实飞机响应逻辑应一致,同时地面控制站应采用与真实无人机配套使用的真实地面站。文中采用“真实地面控制站”与“无人机仿真模型”的形式来构建整个系统,如图1所示。

图1 无人机模拟训练系统架构

在此系统架构下,无人机模型的逼真性直接决定了整个模拟训练系统的逼真程度,于是无人机动态仿真模型是整个系统设计的关键。无人机模拟训练系统组成如图2所示。

图2 无人机模拟训练系统组成图

1.2 设计准则

为实现模拟飞行与真实飞行一致,无人机模拟训练系统设计中应遵循以下设计原则:

1)机载飞控主控仿真、机电主控仿真、航电主控仿真完全移植真实无人机机载代码,机载设备仿真则根据机载设备实际情况进行模拟;

2)各模块输入输出接口严格按照真实飞机输入输出接口设计;

3)飞控主控及设备仿真和数字飞机、机电主控及设备仿真、航电主控及设备仿真以dll形式进行封装,供机载主控仿真模块调度;

4)地面站系统采用与无人机配套使用的真实地面站。

1.3 系统接口

图3 系统接口图

1.4 分系统设计

a)飞控仿真系统设计

1)飞控主控仿真模块:完全移植飞控主控机载软件。

2)飞控设备仿真模块:模拟包括舵面、惯导、速度陀螺、大气机等飞管设备接口、状态及动态特性。

3)数字飞机:实现气动力特性仿真,飞行动力学仿真,飞机质量特性仿真,大气、风等环境特性仿真,起落架特性仿真,发动机特性仿真。

b)机电仿真系统设计

1)机电主控仿真模块:完全移植机电机载软件。

2)机电设备仿真模拟:模拟燃油、冷气组件、起落架、阻力伞等机电设备接口、状态及工作动态特性。

c)航电仿真系统设计

1)航电主控仿真:完全移植航电机载软件。

2)航电设备仿真:模拟航电总线、通信识别、数据存储与查询仿真。

d)机载主控仿真

机载主控仿真完成各系统初始参数设置,按照真实载机运行时间周期调度机载航电、飞控、机电仿真数据包,具备运行、快进、回放等控制功能。

1.5 机载代码移植过程

以航电分系统机载代码移植为例,代码移植过程如图4所示。

图4 机载代码移植过程

从图4中看出,机载主控软件移植过程分为以下几步:

第1步:将从基于VxWorks操作系统中的机载主控代码拷贝至PC计算机中;

第2步:对机载仿真主控软件代码进行修改。修改内容为:增加模拟传感器的执行及状态回报。

1.6 系统工作流程

系统工作时序图如图5所示。

图5 系统工作时序图

2 系统应用

模拟训练系统研发初期的应用是一个与真实飞机系统不断相互校正与修改的过程,系统应用流程如图6所示。

图6 系统应用流程图

从图6中可以看出,无人机模拟训练系统与真实无人机状态是紧密相关、相互校正的一个过程。相互校正迭代升级过程如下:

1)在使用模拟训练系统进行模拟飞行试验前,确保模拟训练系统与真实飞机平台状态一致,这是相互校正迭代升级的前提;

2)在模拟飞行试验过程中发现机载软件问题,经机载软件确认后修改机载代码,同时模拟训练系统也同步升级;

3)当在真实飞机试验试飞过程中发现机载软件问题,升级机载代码的同时更新模拟训练软件。

3 结束语

文中以模拟飞行与真实飞行一致为设计目标,提出了一种基于机载代码的无人机模拟训练系统设计方法。该系统优点在于,在研发阶段不仅可以从模拟飞行中找出实际系统设计中的不足,同时还可以根据实际飞行试验,找出模拟训练系统中不逼真部分,以继续完善;在装备部队阶段,由于其高逼真性,有利于操作员取得更好的训练效果,有助于快速提升部队战斗力。该系统实现了基于无人机平台飞行的模拟训练系统,基于任务的模拟训练有待进一步研究。