無人裝備半實物操控實驗室的建設

黃 政，高霄鵬，歐勇鵬，襲 鵬

（海軍工程大學艦船與海洋學院，武漢 430033）

0 引言

為了適應無人裝備的發(fā)展，培養(yǎng)海上無人裝備應用人才，亟須開展無人裝備相關(guān)實驗室建設的研究。現(xiàn)階段，國內(nèi)在海上無人裝備操控演練方面面臨沒有實戰(zhàn)裝備作為教學案例、沒有裝備模型提供實驗條件的困境，教研團隊要制定人才培養(yǎng)方案和課程計劃，就要跟進無人裝備科學研究，同時建設可供實驗操作的半實物操控實驗室，支撐無人裝備工程專業(yè)實戰(zhàn)化教學［1-2］。

相對于實艇平臺，半實物操控實驗室平臺能夠模擬深水反潛、故障、高海情等實物平臺難以開展試驗的工況。相較于全虛擬平臺，半實物模擬器將三維搖擺臺作為操縱單元，充分考核和模擬無人裝備在真實狀態(tài)下的作業(yè)流程以及可靠性，運動仿真精度更高，更貼合實際。

1 無人裝備半實物操控實驗室概述

目前世界上有十幾個國家正在加緊發(fā)展無人潛航器，用以在未來戰(zhàn)場上執(zhí)行偵察、監(jiān)視、探雷、掃雷和攻擊等多種作戰(zhàn)任務，以取得21 世紀海戰(zhàn)的優(yōu)勢［3］。國內(nèi)在水面無人艇技術(shù)方面的研究起步較晚，2006 年起，我國通過973、863、預先研究項目以及民用型號研制等渠道開始推進水面無人艇技術(shù)發(fā)展［4］，已從最初的概念設計階段逐漸過渡到實際運用階段。國內(nèi)許多大學已經(jīng)成立無人裝備相關(guān)的研究機構(gòu)，如上海大學成立的無人艇工程研究院，大連海事大學成立的無人駕駛船舶技術(shù)與系統(tǒng)協(xié)同創(chuàng)新研究院等［5］。目前我國海軍尚無定型的水面無人艇裝備，全國高校也均無與水上無人裝備直接相關(guān)的學科專業(yè)。無人裝備工程專業(yè)是院校調(diào)整改革新增的學科專業(yè)，為保障無人裝備工程專業(yè)的學科建設，形成充足的師資力量，亟須研究配套的實戰(zhàn)化教學訓練平臺，建設無人裝備半實物操控實驗室，以此作為理論授課和實裝訓練的模擬橋梁，為新型作戰(zhàn)力量培養(yǎng)應用人才。

無人裝備半實物操控實驗室的建設主要從硬件、軟件以及課程等方面進行規(guī)劃。軟件方面對無人裝備（水面無人船和水下無人艇）的姿態(tài)、位置、航向、受力及海洋環(huán)境等進行操控設計，實現(xiàn)無人裝備的操控和反饋，一般配套大型計算服務器、位置及動力感應器、操縱桿、操縱面板、信息交互基站等設備。硬件方面通過搖擺臺模擬無人裝備的操控運動，實時觀測應用環(huán)境中的無人裝備運動姿態(tài)，通過力矩負載模擬器模擬無人裝備在應用中的受力情況，實時反饋給無人裝備的運動和操控系統(tǒng)，給學生提供系統(tǒng)性的無人操控指揮模塊，同時配備半實物操控系統(tǒng)的操控端、監(jiān)控端和實時顯示端，為學生的協(xié)同合作提供硬件基礎(chǔ)。課程將按照跟研跟訓的思路，以首次任職課程教學為起點，發(fā)展成融合本科教育、任職培訓和無人裝備研發(fā)等相關(guān)服務功能為一體的平臺，建成海上無人裝備教學、培訓和科研的重要平臺。

2 無人裝備半實物操控實驗室建設意義

（1）國內(nèi)軍用無人裝備研究的需要。雖然國內(nèi)研究院及高校在民用無人艇領(lǐng)域有許多成果，如中國航天科工集團公司成功開發(fā)了我國首艘無人駕駛海上氣象探測船“天象一號”，上海大學聯(lián)合青島北船重工等單位聯(lián)合開發(fā)的“精?！毕盗袩o人艇等［6］，可以完成自主定位、航跡跟蹤以及自主避障等任務［7］，但是尚無軍用無人裝備的應用，更缺少相應的指揮人才，這對我國在未來海戰(zhàn)上取得優(yōu)勢十分不利。因此加快軍用無人裝備方面的研究非常有必要，相應配套的實驗室建設也亟須跟上。

（2）無人裝備學科建設的需要［8］。為了彌補海軍無人裝備研究的空白，近年來，海軍工程大學開設了無人裝備新專業(yè)，而搭建無人裝備半實物操控實驗平臺，是海上無人實戰(zhàn)化訓練教學條件建設的重要組成，將為新專業(yè)提供實戰(zhàn)化訓練平臺。該平臺可支撐無人裝備協(xié)同配合、無人裝備特種工況應用性能實驗等，可便于學生快速掌握無人裝備操控的原理與方法，培養(yǎng)學生的單機操控指揮應用和多機協(xié)同配合素養(yǎng)，對無人裝備工程的學科建設具有重要意義。

（3）無人裝備半實物操控實驗教學或人才培養(yǎng)的需要?，F(xiàn)階段無人艦艇均是依托研究院所不斷發(fā)展和完善的，而研制裝備的同時亟須配套模擬訓練設備，以供使用人員模擬訓練。海軍工程大學教研團隊已赴海軍裝備部、海軍指揮學院、海軍裝備研究院、716 所、709 所、核九院、航天三江公司等的無人艇設計生產(chǎn)、基層需求部門多家單位進行了充分調(diào)研，各單位均對無人裝備有較為充分的論證。在對各單位的實地考察調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)這些單位雖然擁有較為先進的無人裝備模型和訓練模擬器，但仍需開展更為深入的無人裝備半實物操控訓練實驗室相關(guān)方面研究，以形成培養(yǎng)無人裝備工程人才的充分條件。

3 無人裝備半實物操控實驗室建設與實施

在教研團隊多年承擔艦船總體性能教學科研的基礎(chǔ)上，基于動力定位技術(shù)、多航態(tài)平臺、自航模強機動控制等自航船模設計、控制、研究的經(jīng)驗，經(jīng)過充分論證，形成了以下建設方案。

3.1 無人裝備半實物操控實驗室總體方案

無人裝備半實物操控實驗室定位為無人裝備工程本科專業(yè)核心課程、任職教育、任職培訓等的實驗場所，半實物硬件包括聲吶信號模擬器、搖擺臺、力矩負載模擬器、操控主機、監(jiān)控主機、實時目標機、大型計算服務器、電腦顯示器、高清投影儀、操縱桿、操縱面板等，總體平面布置圖如圖1 所示。操控軟件包括系統(tǒng)設計、接口開發(fā)、航行控制等。建成后可供10 人班次的課程完成實戰(zhàn)化教學，年承訓量可達50 人次。建成后可支撐虛擬海洋環(huán)境中的單機操控實驗、針對探測信號的虛擬武器控制實驗等。

圖1 實驗室平面布局圖（mm）

3.2 無人裝備半實物操控實驗室軟件建設

半實物操控系統(tǒng)的軟件部分由岸基指控軟件和無人裝備控制軟件構(gòu)成［9］。用戶可在操作臺通過岸基指控軟件對半實物仿真模塊進行操控，操作指令途經(jīng)控制決策主機并通過實時數(shù)據(jù)總線發(fā)送到半實物仿真主機進行仿真計算［10-11］，計算結(jié)果反饋到半實物運動平臺，岸基監(jiān)控屏可實時更新顯示。該軟件可實現(xiàn)理論學習、基本操作、科目訓練、戰(zhàn)術(shù)運用及導調(diào)管理5個方面的功能。如圖2 所示。

圖2 軟件組成框圖

其中理論學習包括對無人艇系統(tǒng)、模型、操縱性及控制指令的學習。基本操作包含無人艇的操舵、航速控制、信息交互及岸基遙操?？颇坑柧毎繕烁兄?、無人艇循跡、避碰、布放回收、靠泊離港及目標跟蹤訓練，可實現(xiàn)在不同環(huán)境下訓練無人艇的各項性能。應用任務包含掃海任務訓練、伏擊模擬、反水雷模擬、深水反潛模擬等。導調(diào)管理包括任務管理、參數(shù)配置、任務下發(fā)和狀態(tài)監(jiān)控，可通過軟件實現(xiàn)對無人艇的調(diào)度及監(jiān)控［12］。通過對半實物操控系統(tǒng)接口設計和信息同步技術(shù)的研究，將系統(tǒng)與探測打擊對象對接，進而實現(xiàn)操縱對象及目標的任務設計，結(jié)合信息交互基站實現(xiàn)聯(lián)合指揮控制，完成深水反潛模擬等應用任務。同時設計多套特種應用環(huán)境系統(tǒng)，對半實物操控系統(tǒng)進行調(diào)試和訓練能效評估。

3.3 無人裝備半實物操控實驗室硬件建設

硬件整體分為水面控制單元和水下控制單元兩部分。水面部分硬件主要包括操控主機、監(jiān)控主機、控制機柜等。水下部分主要包括決策主機、實時目標主機、六自由度搖擺平臺、聲吶信號模擬器等，如圖3 所示。

圖3 硬件實物圖

聲吶信號模擬器主要任務是產(chǎn)生發(fā)射機所需的激勵信號、探測物回波信號，實現(xiàn)作戰(zhàn)對象的半實物操控，需與兼容機配套開發(fā)，多目標模擬時設置2 臺。

搖擺臺及控制柜主要負責模擬無人裝備的操控運動，實時觀測應用環(huán)境中的無人裝備運動姿態(tài)［13］。可按照給定的角速率或角位置實現(xiàn)單軸、雙軸或三軸聯(lián)動的全姿態(tài)連續(xù)運動，實現(xiàn)對水上無人平臺整體的六自由度運動操控，協(xié)同配合時設置2 臺。

力矩負載模擬器及控制機柜主要用于模擬無人裝備在應用中的受力情況，實現(xiàn)對水上無人平臺操控機構(gòu)運動的操控，包括扭桿式力矩負載模擬器及機電式力矩負載模擬器，協(xié)同配合時設置2 臺，實時反饋給無人裝備的運動和操控系統(tǒng)，給學生提供系統(tǒng)性的無人操控指揮模塊。

操控端和監(jiān)控端主要用于操控模型開發(fā)、操控管理、數(shù)據(jù)記錄以及數(shù)據(jù)顯示等，協(xié)同配合時設置2 臺。實時顯示端用于模擬被控對象的模型、運動狀態(tài)與數(shù)據(jù)反饋，協(xié)同配合時設置4 臺。

3.4 無人裝備半實物操控實驗室課程建設

無人裝備半實物操控實驗室將為海上無人裝備運用綜合演練等專業(yè)核心課程提供重要的教學實訓條件，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已有無人船艇模型的科研項目和艦船總體課程標準，進行無人裝備訓練教學課程的完善，主要包括：理論學習、模擬訓練、技術(shù)論證等。

理論學習方面組織學生對無人艇各方面的理論知識進行學習，包括系統(tǒng)組成、操縱指令、航行控制等方面的知識，使學生熟悉無人艇的特點，積累相關(guān)的學習經(jīng)驗。

模擬訓練方面通過半實物仿真操控系統(tǒng)平臺，可按照實際航行要求，設置不同的海上環(huán)境條件，進行全面系統(tǒng)化的模擬訓練。模擬訓練可以讓學生熟悉并掌握海上無人裝備操控，在模擬的環(huán)境下不斷實踐來提升實際操縱能力、應變能力以及快速決策能力。

技術(shù)論證方面通過半實物平臺，可以模擬出多種惡劣的環(huán)境來進行航行試驗，并可以通過試驗后的數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化算法，為無人裝備在復雜海洋環(huán)境中的生存力和自適應控制能力提供技術(shù)支撐。

4 無人裝備半實物操控實驗室建設成效

無人裝備半實物操控實驗室服務于包括“無人裝備工程”專業(yè)本科學生、任職培訓學生以及從事相關(guān)研究的教學科研人員，同時服務于有海上無人裝備使用需求的一線部隊、研究所和工廠。實驗室的建設、研究和使用達到以下成效。

4.1 提升了學生的協(xié)同配合能力

通過實驗室講解單機應用任務和應用流程，學生分組演練多種應用任務，實現(xiàn)主副指揮員的指揮和監(jiān)控訓練。通過老師指定任務與學生相互探討，不斷提升學生間互相合作、協(xié)同配合的能力［14］。硬件上也可以通過虛擬2 套以上無人裝備，分不同位置、路線、武器裝備等在虛擬戰(zhàn)場態(tài)勢圖中實現(xiàn)配合，從而提升了學生間協(xié)同配合的能力。

4.2 提升了學生的戰(zhàn)場適應能力

通過實驗室模擬戰(zhàn)場上的各類戰(zhàn)場環(huán)境，訓練學生操控實驗室硬件下達相應的任務，在經(jīng)過模擬效果的反饋后，評估操作的合理性，給出相應的建議，同時通過講解單個無人裝備操作流程和動作目標，學生操練無人裝備單機動作來熟練掌握無人裝備的姿態(tài)、位置、航向、受力及海洋環(huán)境等的操控與反饋，從而提高學生的技術(shù)協(xié)調(diào)能力和實況適應能力。

4.3 提升了學生的實況操作能力

日常訓練中，對水面水下遙控及反饋、深水反潛模擬等應用任務進行模擬，可以讓學生了解職業(yè)崗位的基本定位。通過講解無人裝備半實物操控課程內(nèi)容、目的和要求，介紹無人裝備半實物操控系統(tǒng)組成和操練規(guī)則，讓學生動手熟悉操控系統(tǒng)組成部件、操縱桿、操縱面板等基礎(chǔ)動作，并通過實驗室的實時操控與反饋系統(tǒng)、海洋環(huán)境的虛擬系統(tǒng)以及人機交互式操作方式，便于學生快速掌握無人裝備操控的原理與方法，讓學生對本崗位目標有了更加清晰認識，對實際操作能力有了進一步提升。

5 結(jié)語

本項目依托實驗室條件建設項目和教育科研項目開展無人裝備半實物操控實驗室建設的研究，屬首創(chuàng)型條件建設論證類型項目。在搭建半實物操控軟件和硬件的基礎(chǔ)上，結(jié)合新開專業(yè)無人裝備工程的人才培養(yǎng)方案，豐富了相關(guān)專業(yè)課程建設，充實了綜合素質(zhì)培養(yǎng)任務。

無人裝備半實物操控實驗室的建立優(yōu)化整合了現(xiàn)有的實驗室硬件資源，進一步完善和提升了實訓教學的模式。在實驗過程中，學生從理論知識的學習到實際器械的操作以及最后的實驗結(jié)果評價，促進了學生對無人裝備的專業(yè)知識、應用任務、協(xié)同配合等全面而系統(tǒng)的認識，培養(yǎng)了學生獨立思考和分析解決問題的能力。教學中真正做到以學生為主體，在半實物的實訓過程中，充分激發(fā)其學習潛能，培養(yǎng)自主學習能力［15］。該實驗室還可以為無人裝備需求部隊、研究院及工廠等單位提供實訓場地，有著較強的普遍適用性。