基于半實(shí)物無(wú)人機(jī)訓(xùn)練模擬器研究

陳艦波，于正林，邱文英

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春130022）

0 引 言

隨著無(wú)人機(jī)的廣泛應(yīng)用，無(wú)人機(jī)訓(xùn)練模擬器也越來(lái)越重要。但現(xiàn)有很多訓(xùn)練模擬器都是拋開(kāi)真實(shí)設(shè)備進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，不能真實(shí)反映實(shí)際操作時(shí)會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。本文利用真實(shí)無(wú)人機(jī)及其地面控制站，設(shè)計(jì)了一種基于半實(shí)物無(wú)人機(jī)訓(xùn)練模擬器，該模擬器有著真實(shí)的操作環(huán)境，它能夠真實(shí)反映無(wú)人機(jī)的飛控、無(wú)線(xiàn)傳輸、地面控制站等子系統(tǒng)的真實(shí)情況，能夠?qū)Φ孛婵刂普救坎僮魅藛T進(jìn)行訓(xùn)練，并且在訓(xùn)練的同時(shí)還能對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

圖1 訓(xùn)練模擬器硬件結(jié)構(gòu)圖

該訓(xùn)練模擬器硬件結(jié)構(gòu)連接如圖1 所示。有兩臺(tái)計(jì)算機(jī)分別為視景計(jì)算機(jī)和仿真計(jì)算機(jī)，它們由以太網(wǎng)連接。仿真機(jī)與無(wú)人機(jī)中的飛控計(jì)算機(jī)由專(zhuān)用測(cè)試電纜連接。無(wú)人機(jī)與地面控制站是用原有的真實(shí)無(wú)線(xiàn)電連接。

2 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)最主要有仿真機(jī)和視景機(jī)兩部分。仿真機(jī)連接無(wú)人機(jī)的飛控計(jì)算機(jī)，接收飛控計(jì)算機(jī)來(lái)自地面控制站的飛控指令。仿真機(jī)通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型解算無(wú)人機(jī)的飛機(jī)方程，并且完成任務(wù)設(shè)備模型解算。仿真機(jī)再把計(jì)算出的無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)和任務(wù)設(shè)備參數(shù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送給視景計(jì)算機(jī)。飛行參數(shù)包括無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)、升力、阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)的推力等。任務(wù)設(shè)備參數(shù)包括視點(diǎn)位置、焦距、俯仰角等。視景計(jì)算機(jī)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行視景仿真，生成任務(wù)設(shè)備所能看到的圖像。視景機(jī)還將圖像和此時(shí)無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)、位置以及任務(wù)設(shè)備的狀態(tài)一起通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給仿真計(jì)算機(jī)，仿真計(jì)算機(jī)再通過(guò)專(zhuān)用測(cè)試電纜將這些信息傳輸給無(wú)人機(jī)，最終無(wú)人機(jī)通過(guò)真實(shí)無(wú)線(xiàn)電將這些信息傳送到地面控制站。這樣地面控制站就可以得到所需的圖像及無(wú)人機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)，再由相應(yīng)的操作人員進(jìn)行處理，接著操作無(wú)人機(jī)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 仿真機(jī)軟件

仿真機(jī)主要是對(duì)地面控制站所發(fā)的指令進(jìn)行解算，然后傳送給視景計(jì)算機(jī)。Matlab/Simulink 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)/函數(shù)處理和仿真能力，故仿真機(jī)用Matlab/Simulink 方式編寫(xiě)仿真模型。根據(jù)仿真機(jī)的作用，可由飛機(jī)方程、任務(wù)設(shè)備外特性模型、接口模塊這三部分組成仿真模型［1］。仿真流程圖如圖2 所示［2］。

圖2 仿真流程圖

仿真模型中飛機(jī)方程部分包括氣動(dòng)受力和力矩模塊、六自由度方程解算模塊、動(dòng)力模塊、傳感器模塊。其中氣動(dòng)受力和力矩模塊是根據(jù)所接收無(wú)人機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)人機(jī)的升力、阻力、側(cè)力以及3 個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算；六自由度方程解算模塊是對(duì)飛機(jī)模型的飛行姿態(tài)、位置等信息進(jìn)行計(jì)算；動(dòng)力模塊是根據(jù)接收的發(fā)動(dòng)機(jī)信息對(duì)飛機(jī)的推力和扭矩進(jìn)行計(jì)算；傳感器模塊是對(duì)飛機(jī)所能得到的傳感器信息進(jìn)行計(jì)算，如高度空速仿真、磁力計(jì)仿真、垂直陀螺仿真等。

仿真模型中的任務(wù)設(shè)備外特性模型包括視點(diǎn)位置計(jì)算模塊、跟蹤角度計(jì)算模塊、焦距計(jì)算模塊、平臺(tái)角度計(jì)算模塊。其中視點(diǎn)位置計(jì)算模塊是計(jì)算出任務(wù)設(shè)備的觀察視點(diǎn)處于什么位置；跟蹤角度計(jì)算模塊是對(duì)跟蹤視線(xiàn)與機(jī)體的夾角進(jìn)行計(jì)算；焦距計(jì)算模塊是根據(jù)接收的指令對(duì)任務(wù)設(shè)備的焦距進(jìn)行計(jì)算；平臺(tái)角度計(jì)算模塊是對(duì)平臺(tái)的實(shí)時(shí)角度進(jìn)行計(jì)算。

仿真模型中的接口模塊包括串口數(shù)據(jù)接發(fā)模塊和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接發(fā)模塊。其中串口數(shù)據(jù)接發(fā)模塊是為了接收無(wú)人機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)以及發(fā)送仿真數(shù)據(jù)給無(wú)人機(jī)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接發(fā)模塊是發(fā)送飛機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)到視景計(jì)算機(jī)，以及從視景計(jì)算機(jī)接收?qǐng)D像和無(wú)人機(jī)當(dāng)前狀態(tài)信息、任務(wù)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2 視景機(jī)軟件

圖3 仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

視景仿真就是要利用三維圖像再現(xiàn)無(wú)人機(jī)的飛行過(guò)程。為了使訓(xùn)練效果更好，模擬場(chǎng)景應(yīng)該逼近真實(shí)飛行場(chǎng)景。視景仿真分三維實(shí)體建模和場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)兩部分。經(jīng)比較，本設(shè)計(jì)把Vega Prime 視景仿真平臺(tái)、Multigen Creator建模工具以及VC++結(jié)合設(shè)計(jì)視景仿真。首先利用Creator 強(qiáng)大的三維建模能力建立虛擬三維實(shí)體，然后在Vega Prime中將三維實(shí)體模型生成虛擬場(chǎng)景，并通過(guò)Vega Prime 的交互函數(shù)控制虛擬場(chǎng)景，最后再通過(guò)VC++生成界面［3］。仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖如圖3 所示。

3.2.1 三維實(shí)體建模

視景仿真中三維實(shí)體建模分無(wú)人機(jī)建模和地形建模。

圖4 陰天和晴天飛行情況

圖5 任務(wù)設(shè)備觀測(cè)圖

無(wú)人機(jī)建模包括無(wú)人機(jī)本體建模、無(wú)人機(jī)任務(wù)設(shè)備建模。無(wú)人機(jī)本體建?？芍苯永肅reator 進(jìn)行建模。無(wú)人機(jī)本體一般來(lái)說(shuō)可見(jiàn)結(jié)構(gòu)包括：機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼、水平尾翼、垂直尾翼、副翼舵、方向舵、升降舵等部分。無(wú)人機(jī)本體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故可采用放樣方法來(lái)創(chuàng)建。無(wú)人機(jī)任務(wù)設(shè)備本文只設(shè)計(jì)成能完成攝像偵查任務(wù)的光電吊艙，能仿真出真實(shí)任務(wù)設(shè)備所能完成的所有動(dòng)作。

地形建模主要是建立實(shí)時(shí)的地形模型如山川、河流、建筑等。Terrain Pro 是Multigen Creator 的地形建模模塊，能夠快速創(chuàng)建大面積地形數(shù)據(jù)庫(kù)，它可以使建立的地形非常接近真實(shí)世界，并且地形所帶有的三維文化特征和圖像特征具有很高的逼真度。在地形建模中投影方式的選擇和地形轉(zhuǎn)換算法的選擇是地形生成過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)［4］。Multigen Creator 提供了MAP 投影，它提供5 種投影 方 式 包 括 Flat Earth、UTM（Universal Transverse Mercator）、Geocentric、Lambert conic conformal、Trapezoidal。選擇哪種投影方式我們應(yīng)根據(jù)所要建立的地形而定。地形轉(zhuǎn)換算法Creator 提供了4 種，包括Polymesh、Delaunay、TCT（Terrain Culture Triangulation）和CAT（Continuous Adaptive Terrain）。而我們選擇的地形轉(zhuǎn)換算法也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。

3.2.2 場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)

視景驅(qū)動(dòng)就是要把靜態(tài)的三維模型進(jìn)行視景仿真，即設(shè)計(jì)視景仿真環(huán)境，讓使用者可以與場(chǎng)景進(jìn)行交互，有各種感官效果，有身臨其境的感覺(jué)。三維視景仿真環(huán)境應(yīng)包括無(wú)人機(jī)飛行驅(qū)動(dòng)模塊、視點(diǎn)模塊、碰撞檢測(cè)模塊、仿真氣象模塊。

無(wú)人機(jī)飛行驅(qū)動(dòng)模塊就是要在虛擬場(chǎng)景中控制無(wú)人機(jī)模型的六自由度運(yùn)動(dòng)；碰撞檢測(cè)模塊是要盡量模擬出物體間碰撞的真實(shí)狀態(tài)，如物體碰撞產(chǎn)生的爆炸、火焰、煙霧等。碰撞檢測(cè)可以增加虛擬場(chǎng)景的真實(shí)性。同時(shí)碰撞檢測(cè)可以用于感知地面的存在，才能更好地模擬無(wú)人機(jī)的起飛、降落、墜機(jī)等。碰撞檢測(cè)可以引入最常用的包圍盒方法來(lái)輔助碰撞檢測(cè)；仿真氣象模塊是模擬出不同天氣環(huán)境，如陰天、晴天、多云、雨天等，使仿真環(huán)境更加逼真。如圖4 所示為陰天和晴天飛行情況。

無(wú)人機(jī)視點(diǎn)模塊是要設(shè)計(jì)多個(gè)視點(diǎn)用于觀察無(wú)人機(jī)的飛行狀況以及用于實(shí)現(xiàn)任務(wù)設(shè)備載荷。當(dāng)觀察無(wú)人機(jī)狀態(tài)時(shí)視點(diǎn)設(shè)在無(wú)人機(jī)本體旁的某一位置，時(shí)時(shí)跟隨著無(wú)人機(jī)，此時(shí)視景機(jī)顯示的圖像能看到無(wú)人機(jī)的飛行情況，即在圖像上能看到無(wú)人機(jī)本體。當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)任務(wù)載荷時(shí)，將視點(diǎn)設(shè)在任務(wù)設(shè)備上，此時(shí)視景機(jī)上的圖像就是任務(wù)設(shè)備所觀測(cè)到的圖像，視景機(jī)得把此時(shí)圖像傳送到仿真機(jī)，最終傳回地面控制站。如圖5 所示為某時(shí)刻任務(wù)設(shè)備所觀測(cè)到的圖像。

4 結(jié) 論

該訓(xùn)練模擬器能夠完成模擬訓(xùn)練。訓(xùn)練器不僅能夠得到任務(wù)設(shè)備所觀測(cè)的圖像，還能得到無(wú)人機(jī)的飛行圖。飛控操作員能夠通過(guò)觀察無(wú)人機(jī)飛行圖找到自己操作的不足之處。該訓(xùn)練器還能夠真實(shí)反映無(wú)線(xiàn)電傳送所造成的延遲，組成簡(jiǎn)單，操作方便。由于訓(xùn)練評(píng)估沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文并未設(shè)計(jì)評(píng)估模塊，但該訓(xùn)練模擬器足夠完成對(duì)操作員的訓(xùn)練。

［1］ 吳佳楠，王偉.基于任務(wù)設(shè)備模擬的新型無(wú)人機(jī)訓(xùn)練模擬器研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（12）：3105-3107.

［2］ 姚俊，馬松輝.Simulink 建模與仿真［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［3］ 徐鶴.基于Multigen Creator/Vega Prime 無(wú)人機(jī)三維視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2008:1-12.

［4］ Multigen-Paradigm，Inc.Creator Terrain Guide［M］.USA，Multigen-Paradigm，Inc，2004：3-80.

［5］ 盧衛(wèi)平.基于Vega Prime/multigen creator 飛行復(fù)現(xiàn)視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

［6］ 陳永春．從Matlab/simulink 模型到代碼實(shí)現(xiàn)［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2002.

（編輯立 明）