無(wú)人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)呈現(xiàn)出明顯的無(wú)人化趨勢(shì)，現(xiàn)代無(wú)人機(jī)被廣泛用于執(zhí)行各種非殺傷性和軟、硬殺傷性任務(wù)。無(wú)人機(jī)在執(zhí)行偵察、監(jiān)視、打擊任務(wù)時(shí)，對(duì)操作手都有嚴(yán)格要求。無(wú)人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)作為培訓(xùn)無(wú)人機(jī)操作手的手段，能使操作手熟悉無(wú)人機(jī)的各項(xiàng)操作，因此，研制功能完備的無(wú)人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)更好地訓(xùn)練無(wú)人機(jī)的操作手有重要意義。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)；偵察任務(wù)；監(jiān)視任務(wù)；打擊任務(wù) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP391 文章編號(hào)：1009-2374（2015）31-0030-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.014

1 概述

本模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是在無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上搭建的，該系統(tǒng)包括飛行控制計(jì)算機(jī)、飛行模型計(jì)算機(jī)、三維視景計(jì)算機(jī)、任務(wù)計(jì)算機(jī)、飛控機(jī)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。各部分軟件功能如下：

1.1 測(cè)控軟件

安裝于飛行控制計(jì)算機(jī)，接收來(lái)自模擬訓(xùn)練服務(wù)器的飛行數(shù)據(jù)，顯示虛擬無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)和飛行航跡，并結(jié)合飛行控制面板一起發(fā)送控制命令給飛控機(jī)，完成對(duì)虛擬無(wú)人機(jī)的控制。

1.2 飛控軟件

安裝于飛控機(jī)，主要完成導(dǎo)航計(jì)算和控制率解算。飛控機(jī)接收來(lái)自飛行控制計(jì)算機(jī)和飛行控制面板的控制指令，解算后將舵面控制指令發(fā)送給飛機(jī)模型計(jì)算機(jī)，同時(shí)接收來(lái)自飛機(jī)模型計(jì)算機(jī)的飛行高度、空速、飛機(jī)姿態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，按通信協(xié)議打包后，發(fā)給模擬訓(xùn)練服務(wù)器。

1.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序

安裝于任務(wù)控制計(jì)算機(jī)，完成將422串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為422串口數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)接收來(lái)自飛控機(jī)的飛行參數(shù)以及來(lái)自訓(xùn)練管理計(jì)算機(jī)的故障模擬信號(hào)，將兩者疊加后，發(fā)送給飛行控制計(jì)算機(jī)。

1.4 飛機(jī)模型軟件

安裝于飛機(jī)模型計(jì)算機(jī)，采用有氣動(dòng)參數(shù)建立的非線性飛機(jī)模型，對(duì)飛機(jī)的飛行高度、空速、飛機(jī)姿態(tài)以及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行模擬。

1.5 三維視景仿真軟件

安裝于三維視景計(jì)算機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收來(lái)自飛機(jī)模型計(jì)算機(jī)的飛機(jī)姿態(tài)、位置坐標(biāo)等信息和來(lái)自模擬訓(xùn)練服務(wù)器的飛行控制指令，在三維視景中將虛擬無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，反映了操作人員的操作過(guò)程，給考官及訓(xùn)練人員最直觀的感受。

1.6 訓(xùn)練評(píng)估管理軟件

安裝于情報(bào)分析計(jì)算機(jī)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接收來(lái)自模擬訓(xùn)練服務(wù)器的飛行控制指令和虛擬無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)，通過(guò)比對(duì)，判斷訓(xùn)練人員的操作正確與否，并予與評(píng)分，同時(shí)可進(jìn)行故障信號(hào)模擬，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)送給模擬訓(xùn)練服務(wù)器。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)信號(hào)交聯(lián)圖如圖1所示：

圖1 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成及信號(hào)交聯(lián)圖

2 具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器程序

完成測(cè)控軟件、訓(xùn)練評(píng)估管理軟件、三維視景軟件間422串口數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)交換、分配。按功能可劃分為422串口數(shù)據(jù)截獲及解碼和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換兩部分。

2.1.1 422串口數(shù)據(jù)截獲及解碼。主要包括從飛行控制面板截獲遙控?cái)?shù)據(jù)、解碼并打包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)；從飛控機(jī)截獲遙測(cè)數(shù)據(jù)、解碼并打包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。服務(wù)器在解碼遙控幀數(shù)據(jù)過(guò)程中，會(huì)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)判斷屬于9類有效數(shù)據(jù)中的哪一類，并將該類數(shù)據(jù)的標(biāo)志位賦值為相應(yīng)的值，然后把對(duì)應(yīng)的指令代碼連同相應(yīng)的標(biāo)志位一起打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)最終傳送給三維視景系統(tǒng)和訓(xùn)練評(píng)估管理系統(tǒng)使用。服務(wù)器在解碼遙測(cè)幀數(shù)據(jù)過(guò)程中，也會(huì)對(duì)接收數(shù)據(jù)的類型進(jìn)行判斷（按空速、氣壓高度、飛機(jī)姿態(tài)、故障代碼等分類），并將該類數(shù)據(jù)的標(biāo)志位賦值為相應(yīng)的值，然后把對(duì)應(yīng)的指令代碼連同相應(yīng)的標(biāo)志位一起打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)最終傳送給訓(xùn)練評(píng)估管理系統(tǒng)使用。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換。模擬訓(xùn)練服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換采用開(kāi)放系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的客戶端/服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)模式，即客戶端提出任務(wù)請(qǐng)求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給服務(wù)器，由服務(wù)器做相應(yīng)處理，執(zhí)行被請(qǐng)求的任務(wù)，然后將結(jié)果返回給客服端。

2.2 飛機(jī)模擬軟件

飛機(jī)模型軟件主要完成無(wú)人機(jī)數(shù)學(xué)模型的數(shù)字實(shí)現(xiàn)。飛機(jī)模型從輸入到狀態(tài)輸出的各種方程解算等任務(wù)。在本系統(tǒng)中，飛機(jī)模型的主要作用就是代替真實(shí)飛機(jī)，接收飛控機(jī)發(fā)送的四個(gè)舵偏角（副翼舵偏角、方向舵偏角、升降舵偏角和油舵偏角），輸出飛機(jī)姿態(tài)信息的12個(gè)量。具體輸入輸出值如圖2所示：

圖2 飛機(jī)模型輸入輸出值

飛機(jī)模型通過(guò)串口采集板采集舵機(jī)的舵偏量，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波算法處理以后作為飛機(jī)模型的輸入；飛機(jī)模型里面載入無(wú)人機(jī)的吹風(fēng)數(shù)學(xué)模型，即4輸入（方向、升降、副翼、油門）和12輸出（俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、偏航角、俯仰角速度、滾轉(zhuǎn)角速度、偏航角速度、迎角、側(cè)滑角、空速、高度、飛機(jī)坐標(biāo)X、飛機(jī)坐標(biāo)Y）組成的非線性微分方程。通過(guò)解算非線性微分方程得到輸出量，然后分別通過(guò)串口發(fā)送姿態(tài)量給測(cè)控軟件、通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送解算數(shù)據(jù)至交換機(jī)再送入三維視景仿真系統(tǒng)。

2.3 三維視景仿真軟件

圖3 三維視景中飛機(jī)起飛情景

三維視景系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)，包括俯仰、傾斜、舵面的偏轉(zhuǎn)、螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)等，還可以顯示無(wú)人機(jī)從起飛到降落的各個(gè)動(dòng)作，主要包括彈射起飛、拋彈、平飛、左盤、右盤、爬升、下滑、傘降等。這樣可以更加形象地將飛機(jī)的每個(gè)姿態(tài)展現(xiàn)在操作手的面前，讓操作手能夠很直觀地感受到無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，從而有一種身臨其境的感覺(jué)。圖3是三維視景系統(tǒng)模擬飛機(jī)起飛的情景：

三維視景系統(tǒng)大體分為三個(gè)部分：一是創(chuàng)建模型部分，包括飛機(jī)模型、彈射器模型、火箭彈模型、地形模型等的建模，這部分由第三方軟件Creator來(lái)制作，格式為FLT文件形式；二是設(shè)定以上各個(gè)模型的初始位置，將其所有初始坐標(biāo)信息生成為一ADF文件，該文件由第三方軟件Vega來(lái)創(chuàng)建；三是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)模型動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于初始坐標(biāo)信息生成ADF文件的數(shù)據(jù)為靜態(tài)時(shí)的數(shù)據(jù)，要做到無(wú)人機(jī)的三維仿真，飛機(jī)模型需完成一運(yùn)態(tài)過(guò)程，因此就要做到ADF文件中的各個(gè)模型的參數(shù)是在實(shí)時(shí)改變的，實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程需要通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)工具編程來(lái)完成。endprint

三維視景系統(tǒng)接受兩部分?jǐn)?shù)據(jù)：一是飛機(jī)模型發(fā)送過(guò)來(lái)的飛機(jī)的6個(gè)姿態(tài)數(shù)據(jù)和3個(gè)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)量；二是模擬訓(xùn)練服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的遙控命令。第一部分?jǐn)?shù)據(jù)是為了表現(xiàn)飛機(jī)在地圖中的空間位置和實(shí)時(shí)的舵面偏轉(zhuǎn)。第二部分?jǐn)?shù)據(jù)是為了表現(xiàn)飛機(jī)在各個(gè)狀態(tài)切換時(shí)所做的動(dòng)作。比如點(diǎn)擊起飛命令時(shí)，飛機(jī)模型開(kāi)始給三維視景系統(tǒng)發(fā)送飛機(jī)位置數(shù)據(jù)，同時(shí)火箭彈也開(kāi)始噴火，這個(gè)特效開(kāi)始的時(shí)間三維視景系統(tǒng)是無(wú)法提前預(yù)知的，因此需要接受遙控命令，需要知道的遙控命令有自檢、起飛和開(kāi)傘。

2.4 訓(xùn)練評(píng)估管理軟件

訓(xùn)練管理系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)部分：評(píng)價(jià)打分、故障模擬、語(yǔ)音報(bào)警。

2.4.1 評(píng)價(jià)打分。評(píng)價(jià)打分的主要設(shè)計(jì)思想為對(duì)比分析，完成對(duì)操作手飛行前訓(xùn)練評(píng)價(jià)及飛行中訓(xùn)練評(píng)價(jià)。訓(xùn)練評(píng)估管理軟件通過(guò)獲取操作手的操作數(shù)據(jù)與考官標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比記分。完成訓(xùn)練評(píng)估管理軟件設(shè)置的所有考題后，自動(dòng)計(jì)算出總分?jǐn)?shù)。通過(guò)其總分來(lái)評(píng)估一個(gè)操作手對(duì)無(wú)人機(jī)操作的熟練程度。

2.4.2 故障模擬。由于模擬系統(tǒng)的飛控軟件采用機(jī)載飛控軟件，其故障產(chǎn)生來(lái)源于傳感器的環(huán)境參數(shù)，在模擬環(huán)境中不便實(shí)現(xiàn)，因此由考官“人為”設(shè)置模擬故障代碼，來(lái)訓(xùn)練操作手對(duì)每一級(jí)故障的處理熟練程度。故障指令代碼包括一級(jí)故障、二級(jí)故障和三級(jí)故障。一級(jí)故障有發(fā)動(dòng)機(jī)停車故障、小速度故障、低高度故障、升降舵故障、副翼舵故障和雙電源故障；二級(jí)故障有風(fēng)門舵故障、油門超上限故障、方向舵故障、發(fā)電機(jī)組電源故障、遙控鏈路斷故障和測(cè)控鏈路斷故障；三級(jí)故障有GPS丟失故障、無(wú)線電導(dǎo)航錯(cuò)誤故障、空中油門固死故障、高度超標(biāo)故障、飛行距離超過(guò)90km故障、速度邊界告警、高度邊界告警和姿態(tài)邊界告警。

2.4.3 語(yǔ)音報(bào)警。語(yǔ)音報(bào)警功能類似有人機(jī)中央告警功能，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)狀態(tài)定時(shí)語(yǔ)音提示及故障告警。

語(yǔ)音報(bào)警功能由microsoft公司的speech SDK 5.1以及精靈軟件工作室的SmartRead SDK語(yǔ)音開(kāi)發(fā)庫(kù)7.0實(shí)現(xiàn)。SAPI SDK是微軟公司免費(fèi)提供的語(yǔ)音應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具包，這個(gè)SDK中包含了語(yǔ)音應(yīng)用設(shè)計(jì)接口（SAPI）、微軟的連續(xù)語(yǔ)音識(shí)別引擎（MCSR）以及微軟的語(yǔ)音合成（TTS）引擎等。目前的5.1版本一共可以支持2種語(yǔ)言的識(shí)別（英語(yǔ)和漢語(yǔ)）以及2種語(yǔ)言的合成（英語(yǔ)和漢語(yǔ)）。SAPI中還包括對(duì)于低層控制和高度適應(yīng)性的直接語(yǔ)音管理、訓(xùn)練向?qū)?、事件、語(yǔ)法編譯、資源、語(yǔ)音識(shí)別（SR）管理以及TTS管理等強(qiáng)大的設(shè)計(jì)接口。

語(yǔ)音引擎則通過(guò)DDI層（設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口）和SAPI（SpeechAPI）進(jìn)行交互，應(yīng)用程序通過(guò)API層和SAPI通信。通過(guò)使用這些API，用戶可以快速開(kāi)發(fā)在語(yǔ)音識(shí)別或語(yǔ)音合成方面應(yīng)用程序。然而，在新發(fā)布的.net speech SDK里面并沒(méi)有對(duì)中文語(yǔ)音進(jìn)行支持，目前支持中文的Speech SDK最高版本為Windows平臺(tái)下的speech SDK 5.1。此外，speech SDK 5.1的語(yǔ)音庫(kù)只支持中文男聲，中文女聲則需要精靈軟件工作室的SmartRead SDK語(yǔ)音開(kāi)發(fā)庫(kù)4.0提供支持，所有中文語(yǔ)音庫(kù)基本都提供了對(duì)GB2312字庫(kù)所有漢字的支持。因?yàn)橹形呐晭?kù)的聲音較中文男聲庫(kù)的聲音更加犀利、清晰，因此使用中文女聲庫(kù)進(jìn)行TTS語(yǔ)音合成，可通過(guò)調(diào)用SmartRead SDK動(dòng)態(tài)連接庫(kù)進(jìn)行中文女聲的加載信息語(yǔ)音合成，合成的語(yǔ)音通過(guò)聲卡的輸出端直接與混音臺(tái)的輸入相連，最后通過(guò)功放后驅(qū)動(dòng)音箱發(fā)聲。

3 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)地面站系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上集成了模擬訓(xùn)練功能，實(shí)現(xiàn)了用和練的有機(jī)結(jié)合，體現(xiàn)了系統(tǒng)操作的方便性、實(shí)用性和完整性。為中小型無(wú)人機(jī)通用地面站研制打下了軟件技術(shù)基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上的拓展和延伸可以方便地運(yùn)用于其他無(wú)人機(jī)項(xiàng)目中。自主設(shè)計(jì)了一套模擬訓(xùn)練的考評(píng)軟件，該軟件適用性強(qiáng)，可推廣到其他型號(hào)無(wú)人機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：謝迪（1982-），男，四川成都人，中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司工程師，工學(xué)碩士，研究方向：無(wú)線電測(cè)控技術(shù)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）endprint