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設(shè)備與工具無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)如何讓無人機科研教學(xué)更簡單呢？仿真訓(xùn)練系統(tǒng)是當(dāng)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(dǎo)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(xùn)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(xùn)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(zhǔn)備。
無人機仿真系統(tǒng)研制意義
無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)如何讓無人機科研教學(xué)更簡單呢？無人駕駛飛機是一種復(fù)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(xùn)練,對于提高無人機飛行的準(zhǔn)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(xùn)練使用，除此以外,無人機中一些訓(xùn)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(xùn)練事故的發(fā)生,研制高技術(shù)含量的無人機仿真訓(xùn)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(fù)的技能練習(xí),使執(zhí)行的任務(wù)能夠被高效、準(zhǔn)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(xùn)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(xùn)練指揮人員操作技能以及遵循預(yù)定路線完成飛行演練的目的。無人機仿真訓(xùn)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(fù)、高效、安全地進行飛行演練,大大減少了訓(xùn)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(xùn)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(xùn)練系統(tǒng)模型，學(xué)員通過在發(fā)動機控制系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等無人機仿真模塊中進行練習(xí)，從而對自身的操作水平得到定性定量分析，在清楚的認(rèn)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(xùn)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(xùn)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(xùn)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(xùn)練員全面評估自身的訓(xùn)練情況。在上位理機模塊中可以細(xì)化為訓(xùn)練科目、多媒體教學(xué)、視景初始化、故障模擬以及成績評估五個方面。訓(xùn)練科目主要是在初值設(shè)定的前提下負(fù)責(zé)向飛行仿真系統(tǒng)發(fā)送開始、停止訓(xùn)練的指令;多媒體教學(xué)則主要是為學(xué)員提供聲音、圖像、文字等渠道的教學(xué)模式;視景初始化擔(dān)當(dāng)為視景系統(tǒng)提供環(huán)境參數(shù)的功能，其能夠回顯目標(biāo)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(xué)員的訓(xùn)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(xué)員在訓(xùn)練時隨時更換訓(xùn)練場景,提高自身訓(xùn)練效果。
無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)工作原理
設(shè)計的無人機仿真訓(xùn)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(xùn)練系統(tǒng)提供強有力的支撐。虛擬仿真技術(shù)作為當(dāng)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(xué)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(xùn)練系統(tǒng)中應(yīng)用的虛擬仿真技術(shù),能夠為學(xué)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(xué)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(xué)模型以及導(dǎo)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(xùn)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(xué)、導(dǎo)航、控制以及發(fā)動機等功能模塊,首先其由制導(dǎo)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(xué)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(fēng)場、地形、大氣狀態(tài)、重力加速度等外界,在學(xué)員自行設(shè)置的基礎(chǔ)上實現(xiàn)訓(xùn)練效果的全面化。第三，由于無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)能夠支持學(xué)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(xùn)練時更加方便快捷。另一方面，無人機仿真訓(xùn)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(xùn)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(biāo)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(xùn)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(xué)員在進行無人機指揮訓(xùn)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(xué)員訓(xùn)練評估成績的準(zhǔn)確性具有重要意義;其次,工控機采用標(biāo)準(zhǔn)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(xùn)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(xué)員在進行無人機仿真訓(xùn)練時不會受到意外終止的威脅。工控機在無人機仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中的應(yīng)用在提高訓(xùn)練效果方面具有重要意義。
無人機仿真訓(xùn)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(xué)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(xué)模型程序進行實現(xiàn)。對于計算機而言,仿真訓(xùn)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(xué)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(zhǔn)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(xùn)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(xùn)練時可以使學(xué)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(biāo)失蹤等意外情況融入到訓(xùn)練過程的任意時段之中，確保仿真訓(xùn)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(zhǔn)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(xùn)練中設(shè)置該模塊，能夠更加貼合現(xiàn)實,指揮人員在訓(xùn)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(xùn)練做好充足準(zhǔn)備。第六，飛行數(shù)據(jù)顯示模塊。在仿真訓(xùn)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(zhǔn)確,能夠有效訓(xùn)練指揮人員的精確領(lǐng)航能力;儀表顯示是在標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)向、風(fēng)力等氣象條件直接影響著無人機的航跡。在無人機仿真訓(xùn)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(xué)員訓(xùn)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(zhǔn)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(xué)員在訓(xùn)練結(jié)束后回放整個的飛行過程,使學(xué)員能夠在觀看中及時糾正錯誤操作，總結(jié)訓(xùn)練成果，以最大限度地提升學(xué)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(xùn)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(xùn)練結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)，在此標(biāo)準(zhǔn)下，該模塊能夠找出每次訓(xùn)練中的錯誤，在將其與任務(wù)要求做比之后評判學(xué)員訓(xùn)練成績,并告知學(xué)員問題出處。
2025-09-04 22:09
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