無人機仿真訓練系統(tǒng)如何讓無人機科研教學更簡單呢？仿真訓練系統(tǒng)是當前無人機中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一，其以專用物理效應(yīng)設(shè)備以及計算機為工具，在一定的系統(tǒng)模型上試驗假想或者真實的系統(tǒng)，通過分析研究試驗結(jié)果，以做出最終決策。不過,在過去的計算機仿真系統(tǒng)中,操作人員往往為旁觀者,不能根據(jù)自己的視點調(diào)節(jié)可視場景，導致用戶缺乏了身臨其境的感覺。所以,結(jié)合虛擬現(xiàn)實,研發(fā)虛擬仿真訓練系統(tǒng)，能夠幫助解決遺留的人機交互缺乏的問題，在新概念、新方式、新內(nèi)容以及新方法的引領(lǐng)下，使得無人機訓練的方式更加和諧，內(nèi)容更加形象，為提高我國的無人機操作能力做好充足準備。

無人機仿真系統(tǒng)研制意義

無人機仿真訓練系統(tǒng)如何讓無人機科研教學更簡單呢？無人駕駛飛機是一種復雜的技術(shù)設(shè)備，其不僅能夠進出危險空域，發(fā)揮自身特殊效用,而且能夠完成過去許多只有有人機才能夠完成的任務(wù),并利用自身自重輕、體積小、成本低的特點,極大地改變了人們生活。所以進行必要的技術(shù)訓練,對于提高無人機飛行的準確性具有重要意義。但是作為高新武器裝備,無人機的價格十分昂貴,且其壽命十分有限，其不允許被多次訓練使用，除此以外,無人機中一些訓練科目操作還具有較大的危險性,所以為了防止資源浪費以及訓練事故的發(fā)生,研制高技術(shù)含量的無人機仿真訓練系統(tǒng)十分必要,其不僅能夠進一步簡化無人駕駛飛機的操縱的過程,使指揮人員能夠熟悉無人機操作、維修技能,而且指揮人員有機會進行反復的技能練習,使執(zhí)行的任務(wù)能夠被高效、準確地完成。

在無人機計算機仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,構(gòu)建虛擬仿真系統(tǒng),使無人機飛行位置、姿態(tài)以及高度，逼真、形象地顯示在指揮員眼前，幫助其掌握基本的飛行控制規(guī)律。建立完善的無人機仿真訓練系統(tǒng)，能夠使指揮人員在計算機前享受人機互動，通過在模擬情境中操作無人機起飛、控制無人機飛行,從而實現(xiàn)訓練指揮人員操作技能以及遵循預定路線完成飛行演練的目的。無人機仿真訓練系統(tǒng)的研制能夠使指揮人員在不受節(jié)能、經(jīng)濟、氣象條件等限制下,反復、高效、安全地進行飛行演練,大大減少了訓練費用以及提高了無人機指揮人員的動手能力。

目前，設(shè)計研制的無人機仿真訓練系統(tǒng)不僅能夠提供評價無人機系統(tǒng)品質(zhì)的全方位仿真平臺，而且還可以構(gòu)建通用全數(shù)字的飛行仿真訓練系統(tǒng)模型，學員通過在發(fā)動機控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等無人機仿真模塊中進行練習，從而對自身的操作水平得到定性定量分析，在清楚的認知下獲得及時的查漏補缺。

無人機仿真系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

無人機仿真訓練系統(tǒng)應(yīng)包括上位管理、視景仿真、地面控制以及飛行仿真4大模塊，無人機仿真訓練系統(tǒng)的4個模塊緊密相連，例如，上位管理機與地面控制臺是訓練系統(tǒng)總體走向與流程的指揮系統(tǒng),飛行仿真模塊作為系統(tǒng)各模塊運行的基礎(chǔ)，需要確保自身實時性、可靠性,以提高系統(tǒng)綜合效率。具體來看,四者聯(lián)系可以分為以下三個部分。

首先，上位管理機需要通過無連接的數(shù)據(jù)報文方式為視景仿真以及飛行仿真系統(tǒng)發(fā)送一定的控制命令與初始化參數(shù),并輔助訓練員全面評估自身的訓練情況。在上位理機模塊中可以細化為訓練科目、多媒體教學、視景初始化、故障模擬以及成績評估五個方面。訓練科目主要是在初值設(shè)定的前提下負責向飛行仿真系統(tǒng)發(fā)送開始、停止訓練的指令;多媒體教學則主要是為學員提供聲音、圖像、文字等渠道的教學模式;視景初始化擔當為視景系統(tǒng)提供環(huán)境參數(shù)的功能，其能夠回顯目標以及炸點位置;故障模擬能夠給飛行仿真設(shè)定無人機的各項故障指令;成績評估則能夠評定學員的訓練情況，并將其飛行成績保存在數(shù)據(jù)庫中,以隨時隨地查閱。

其次,飛行仿真與地面控制臺之間的通訊是雙向的,飛行仿真的接口軟件能夠接收地面控制臺發(fā)送的開關(guān)控制、遙調(diào)、航跡規(guī)劃、航程點更新等各個指令,并在處理后輸出無人機速度、高度、姿態(tài)、電壓電網(wǎng)、航跡偏差、控制狀態(tài)等信息，使其顯示在地面控制臺上。

最后,飛行仿真在向地面控制臺輸送指令的同時也需向視景系統(tǒng)輸送相應(yīng)數(shù)據(jù)。不同種類的景物能夠組成三維場景,不同類型的模型能夠構(gòu)成虛擬仿真環(huán)境，如果三維虛擬環(huán)境中的景物種類不同，其仿真處理也應(yīng)發(fā)生相應(yīng)變化。所以視景系統(tǒng)接受的飛行仿真數(shù)據(jù)應(yīng)主要為上位管理機中設(shè)置的環(huán)境參數(shù)，以方便學員在訓練時隨時更換訓練場景,提高自身訓練效果。

無人機仿真訓練系統(tǒng)工作原理

設(shè)計的無人機仿真訓練系統(tǒng)主要由虛擬仿真與工控機兩個高新技術(shù)組成。一方面，虛擬仿真是借助一個系統(tǒng)模仿另一個真實系統(tǒng)的技術(shù)，其實時性、交互性與逼真性的特征能夠為無人機仿真訓練系統(tǒng)提供強有力的支撐。虛擬仿真技術(shù)作為當今研究的熱點，主要借助以計算機為核心技術(shù)的現(xiàn)代科技生成，逼真的視、聽、觸覺使學員在一定設(shè)備的輔助下能夠以自然狀態(tài)與虛擬環(huán)境中的對象進行交互,并互相產(chǎn)生影響,從而產(chǎn)生等同于在真實環(huán)境中活動的體驗與感受。而在無人機訓練系統(tǒng)中應(yīng)用的虛擬仿真技術(shù),能夠為學員創(chuàng)造一個相互作用與反映實體變化的三維虛擬世界,并通過輔助的傳感設(shè)備,使學員直接參與探索無人機飛行時的姿態(tài)、速度等特征,以及其可以隨時更換飛行場景,提高自身指揮能力。虛擬仿真技術(shù)的實現(xiàn)主要依靠MATLAB/Simulink,并通過Simulink搭建無人機的控制模型、飛行動力學模型以及導航模型等,通過MATLAB開發(fā)設(shè)置仿真參數(shù)。

在無人機仿真模擬訓練系統(tǒng)中,虛擬仿真技術(shù)主要由系統(tǒng)、環(huán)境、信號處理三方面組成。第一，系統(tǒng)模塊主要包含了無人機動力學、導航、控制以及發(fā)動機等功能模塊,首先其由制導功能向控制功能發(fā)出飛行軌跡姿態(tài)指令,然后針對無人機模型設(shè)計特點，計算飛行任務(wù)完成下的發(fā)動機推力調(diào)整量與舵面偏轉(zhuǎn)量,最后將這些操控數(shù)據(jù)發(fā)送到無人機動力學處,使其做出相應(yīng)調(diào)整。

第二，在環(huán)境方面仿真技術(shù)考慮了風場、地形、大氣狀態(tài)、重力加速度等外界,在學員自行設(shè)置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)訓練效果的全面化。第三，由于無人機仿真訓練系統(tǒng)能夠支持學員進行操縱桿控制，所以要求中心系統(tǒng)在接受來自操縱桿的姿態(tài)調(diào)整、油門、升降等指令后，能夠利用模型解算接收的數(shù)據(jù)指令數(shù)據(jù),以實現(xiàn)控制無人機飛行高度與姿態(tài)，使用戶在模擬訓練時更加方便快捷。另一方面，無人機仿真訓練系統(tǒng)中還需要采用以工控機為核心的電氣控制方案。工控機，全稱為工業(yè)控制計算機，其能夠在總線結(jié)構(gòu)額基礎(chǔ)上對機電設(shè)備、生產(chǎn)過程以及工藝裝備進行控制與檢測。

首先，工控機具有重要的計算機特征以及屬性,例如，其具有計算機內(nèi)存、硬盤、控制網(wǎng)絡(luò)等。其次，工控機非常特殊,其屬于一種中間產(chǎn)品,能夠為其他行業(yè)提供智能化、嵌人式的可靠配制。在無人機仿真訓練系統(tǒng)的設(shè)計中引入工控機,既能夠滿足系統(tǒng)中各項性能指標的需求,又能夠高效調(diào)節(jié)發(fā)動機馬力等電氣設(shè)備,保證訓練的正常進行。首先,由于工控機的機箱采用鋼結(jié)構(gòu),所以其能夠防止學員在進行無人機指揮訓練時因磁、塵、沖擊等.客觀因素而被迫停止的現(xiàn)象發(fā)生，其對于保證學員訓練評估成績的準確性具有重要意義;其次,工控機采用標準機箱,其具有專用電源以及安有ISA與PCI插槽的專用底板，保證了電源較強的抗干擾能力,實現(xiàn)了無人機仿真訓練的有序、高效性；最后，工控機能夠連續(xù)長時間作業(yè),使得學員在進行無人機仿真訓練時不會受到意外終止的威脅。工控機在無人機仿真訓練系統(tǒng)中的應(yīng)用在提高訓練效果方面具有重要意義。

無人機仿真訓練系統(tǒng)功能模塊

無人機仿真系統(tǒng)可以劃分為11個功能模塊:第一，運動學特性仿真模塊,其仿真步長限制在10m/s內(nèi),主要利用系統(tǒng)設(shè)置的數(shù)學模型程序進行實現(xiàn)。對于計算機而言,仿真訓練系統(tǒng)大約需要每隔55 ms就發(fā)生一次硬件中斷，如果利用傳統(tǒng)定時器控制中斷，顯然其無法滿足仿真周期的高精度，所以在運動學特性仿真模塊中需要采用精確的多媒體定時器，通過事先在程序中設(shè)定無人機位置、爬升率等仿真初值，使得各評價參數(shù)能夠在準確的初值上得以解算與累加。第二，TCP/IP協(xié)議通信模塊。在無人機仿真訓練系統(tǒng)中可以將兩臺計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置為TCP/IP協(xié)議，在結(jié)合多線程以及廣播方式進行數(shù)據(jù)發(fā)送的技術(shù)基礎(chǔ)上實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠運行,為解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性問題奠定了堅實基礎(chǔ)。第三，故障設(shè)置模塊。為了能夠提高指揮人員的應(yīng)變能力,在進行訓練時可以使學員在該模塊中體驗一定的應(yīng)急事故處理。在故障設(shè)置模塊的存在可以將指令失效、發(fā)動機停車、目標失蹤等意外情況融入到訓練過程的任意時段之中，確保仿真訓練的全面性。

第四,指令輸入與顯示模塊,其不僅能夠直接接受到接收機中的數(shù)據(jù)信息，并及時將其中的指令名稱以及時間進行準確記錄，而且其能夠在發(fā)射面板的用戶界面向外發(fā)送模擬遙控指令。一般地，可以將接收的接收機中的實時指令再通過隔離型數(shù)字量輸入板以及電平轉(zhuǎn)換接口卡之后引入到計算機額總線擴展槽,以及時采集實時指令。第五，航路規(guī)劃，設(shè)定模塊。在現(xiàn)實情境中，指揮人員需要在執(zhí)行無人機飛行任務(wù)前根據(jù)實際環(huán)境以及任務(wù)類型規(guī)劃、制定航行路線。所以,在仿真訓練中設(shè)置該模塊，能夠更加貼合現(xiàn)實,指揮人員在訓練前可以先在模擬飛行區(qū)域中編輯、顯示航線，并以文件的形式將制定的航線保存在計算機中，為之后的虛擬訓練做好充足準備。第六，飛行數(shù)據(jù)顯示模塊。在仿真訓練系統(tǒng)中一共有數(shù)字與儀表兩種顯示方式，數(shù)字顯示更為準確,能夠有效訓練指揮人員的精確領(lǐng)航能力;儀表顯示是在標準航空儀表盤的使用下為指揮人員創(chuàng)造身臨其境的感覺。

第七,氣象設(shè)置模塊。在現(xiàn)實情境中，不同的氣象條件均會對無人機的飛行航線產(chǎn)生程度不一的影響,特別是風向、風力等氣象條件直接影響著無人機的航跡。在無人機仿真訓練系統(tǒng)中涉及氣象設(shè)置模塊,能夠有效、靈活地設(shè)置學員訓練過程中的氣象條件,保障其飛行指揮能力的全面提升。第八，飛行航跡顯示模塊,其既能顯示事先制定的航線,也能顯示飛行區(qū)域的航跡,使指揮人員能夠準確做出航線調(diào)整的判斷。除此以外,該模塊還能顯示指定航線與無人機位置間的偏航距。第九，飛行過程回放軟件。該軟件能夠使幫助學員在訓練結(jié)束后回放整個的飛行過程,使學員能夠在觀看中及時糾正錯誤操作，總結(jié)訓練成果，以最大限度地提升學員的專業(yè)素質(zhì)。第十,飛行數(shù)據(jù)記錄軟件,其主要記錄相應(yīng)時刻下的飛行參數(shù),并且為了能夠事后對訓練過程進行評估，分析這些參數(shù)均會以二進制格式進行保存。第十一，結(jié)果評估軟件,其具有客觀評估訓練結(jié)果的標準，在此標準下，該模塊能夠找出每次訓練中的錯誤，在將其與任務(wù)要求做比之后評判學員訓練成績,并告知學員問題出處。

卓翼無人機教學仿真實訓室搭建參考

卓翼基于模型設(shè)計的一體化無人機飛控開發(fā)設(shè)計平臺由以下4大部分組成：多旋翼飛行器Matlab/Simulink模型、PixHawk自駕儀、硬件在環(huán)多旋翼飛行器仿真器、遙控器和接收機和實驗指導包（指導書、視頻、例程）。

【基于模型設(shè)計的一體化

無人機飛控開發(fā)設(shè)計平臺的開發(fā)流程圖】

基于模型設(shè)計的一體化無人機飛控開發(fā)設(shè)計平臺的開發(fā)流程分為：

系統(tǒng)模型設(shè)計：根據(jù)設(shè)計需求編寫需求文檔，對整個多旋翼的控制物理模型進行系統(tǒng)建模設(shè)計，并與需求文檔進行掛接驗證模型是否有誤；

控制系統(tǒng)設(shè)計：根據(jù)多旋翼的控制要求，進行多旋翼的控制算法設(shè)計，并與需求文檔進行掛接驗證算法是否完善；

軟件在環(huán)仿真：利用本方案所搭建的軟件在環(huán)仿真平臺，快速驗證多旋翼的控制算法效果，并可以自動注入多種故障進行全方位仿真測試；

自動代碼生成：利用Matlab/Simulink自動代碼生成技術(shù)自動生成代碼，并燒寫至DY PixHawk DyEdu飛控中；

硬件在環(huán)仿真：利用本方案所搭建的硬件在環(huán)仿真平臺快速驗證飛控對多四旋翼的控制性能，并可以自動注入多種故障進行全方位仿真測試；

系統(tǒng)測試驗證：通過室內(nèi)定位系統(tǒng)，在室內(nèi)對多旋翼進行高精度實際飛行測試，完成真實環(huán)境實際飛行測試。

系統(tǒng)特點：

技術(shù)門檻低，控制算法開發(fā)更專注；

化繁為簡，開發(fā)工作“事半功倍”；

邏輯性與系統(tǒng)性并存，構(gòu)建嚴謹高效研發(fā)流程；

代碼移植方便快捷，節(jié)約開發(fā)成本；

科學規(guī)劃，由淺入深，逐步推進；

可開設(shè)課程：

多旋翼動力系統(tǒng)設(shè)計

多旋翼建模

多旋翼傳感器標定

多旋翼濾波器設(shè)計

多旋翼姿態(tài)控制器設(shè)計

多旋翼定點位置控制器設(shè)計

半自主多旋翼飛控決策設(shè)計

多旋翼失效保護邏輯設(shè)計

結(jié)論與成果特點

總而言之，在無人機訓練中設(shè)計仿真系統(tǒng)，能夠在展現(xiàn)室內(nèi)訓練大型武器裝備的同時將訓練風險以及損耗降到最低，從而促進學員指揮能力的能力。在原有訓練系統(tǒng)中進行一定的仿真改造,真正實現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)與工控體計算機的相互融合與滲透,在滿足系統(tǒng)仿真度與精度的前提下明顯縮短學員掌握操作時間，例如，在飛行姿態(tài)調(diào)整訓練中,學員原有的操作領(lǐng)會時間為35min,但是在引入仿真訓練系統(tǒng)后則縮短至現(xiàn)在的15 min, 為實際教學中帶來良好效果。尤其是無人機仿真訓練系統(tǒng)中的任務(wù)載荷仿真，其能夠精確模擬實際偵察任務(wù)中無人機的各項動作,并及時向圖像生成系統(tǒng)實時傳輸生成的一系列數(shù)據(jù),通過利用LOD技術(shù)，使得場景的幾何復雜性能夠在畫面視覺效果不受影響的前提下進行一定簡化，從而實現(xiàn)計算效率的大大提高。

無人機仿真訓練系統(tǒng)常常先用小波分析方法對飛行數(shù)據(jù)進行了濾波,以有效防止抖動現(xiàn)象的出現(xiàn)。投入使用設(shè)計的無人機仿真訓練系統(tǒng),能夠使學員在參與訓練時體驗真實情境，訓練自身指揮無人機起飛、著陸以及按航線飛行的快感,并利用三維圖景對偵查的信息進行觀察，全方位搜索控制任務(wù)偵察平臺。所以，可以說無人機仿真訓練系統(tǒng)的使用能夠給學員訓練更加直觀、逼真以及舒適的感覺，在反復訓練中達到操縱熟練的基本目的，為提高操縱人員訓練效率，實現(xiàn)新型無人機的廣泛應(yīng)用奠定堅實基礎(chǔ)。

該技術(shù)團隊由北京航空航天大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學等知名高校畢業(yè)的博士和碩士組成，擁有多年教育類無人機系統(tǒng)的研發(fā)經(jīng)驗，卓翼智能公司與多個高校建立重點實驗室合作，與北航、清華大學、浙江大學、哈工大等多所著名高校的飛行控制實驗室建立長期深度合作。數(shù)位資歷深厚的北航教授、副教授擔任技術(shù)顧問，確保研發(fā)環(huán)境和設(shè)備的先進性及行業(yè)技術(shù)的前瞻性。在無人機設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)、飛行控制、抗風穩(wěn)定、slam視覺導航、集群與協(xié)同、高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)、無人車等多個領(lǐng)域擁有國內(nèi)一流的核心技術(shù)，擁有國內(nèi)多項技術(shù)專利。

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