基于半實物無人機訓練模擬器研究

陳艦波，于正林，邱文英

（長春理工大學 機電工程學院，長春130022）

0 引 言

隨著無人機的廣泛應用，無人機訓練模擬器也越來越重要。但現有很多訓練模擬器都是拋開真實設備進行計算機仿真，不能真實反映實際操作時會出現的問題。本文利用真實無人機及其地面控制站，設計了一種基于半實物無人機訓練模擬器，該模擬器有著真實的操作環境，它能夠真實反映無人機的飛控、無線傳輸、地面控制站等子系統的真實情況，能夠對地面控制站全部操作人員進行訓練，并且在訓練的同時還能對這些系統進行測試。

1 系統硬件結構

圖1 訓練模擬器硬件結構圖

該訓練模擬器硬件結構連接如圖1 所示。有兩臺計算機分別為視景計算機和仿真計算機，它們由以太網連接。仿真機與無人機中的飛控計算機由專用測試電纜連接。無人機與地面控制站是用原有的真實無線電連接。

2 系統原理

系統最主要有仿真機和視景機兩部分。仿真機連接無人機的飛控計算機，接收飛控計算機來自地面控制站的飛控指令。仿真機通過建立數學模型解算無人機的飛機方程，并且完成任務設備模型解算。仿真機再把計算出的無人機飛行參數和任務設備參數通過以太網傳送給視景計算機。飛行參數包括無人機的飛行姿態、升力、阻力、發動機的推力等。任務設備參數包括視點位置、焦距、俯仰角等。視景計算機根據接收的數據進行視景仿真，生成任務設備所能看到的圖像。視景機還將圖像和此時無人機的飛行狀態、位置以及任務設備的狀態一起通過以太網傳輸給仿真計算機，仿真計算機再通過專用測試電纜將這些信息傳輸給無人機，最終無人機通過真實無線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人機相關數據，再由相應的操作人員進行處理，接著操作無人機。

3 系統的軟件設計

3.1 仿真機軟件

仿真機主要是對地面控制站所發的指令進行解算，然后傳送給視景計算機。Matlab/Simulink 具有強大的數據/函數處理和仿真能力，故仿真機用Matlab/Simulink 方式編寫仿真模型。根據仿真機的作用，可由飛機方程、任務設備外特性模型、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

仿真模型中飛機方程部分包括氣動受力和力矩模塊、六自由度方程解算模塊、動力模塊、傳感器模塊。其中氣動受力和力矩模塊是根據所接收無人機相關數據對無人機的升力、阻力、側力以及3 個軸的轉動力矩進行計算；六自由度方程解算模塊是對飛機模型的飛行姿態、位置等信息進行計算；動力模塊是根據接收的發動機信息對飛機的推力和扭矩進行計算；傳感器模塊是對飛機所能得到的傳感器信息進行計算，如高度空速仿真、磁力計仿真、垂直陀螺仿真等。

仿真模型中的任務設備外特性模型包括視點位置計算模塊、跟蹤角度計算模塊、焦距計算模塊、平臺角度計算模塊。其中視點位置計算模塊是計算出任務設備的觀察視點處于什么位置；跟蹤角度計算模塊是對跟蹤視線與機體的夾角進行計算；焦距計算模塊是根據接收的指令對任務設備的焦距進行計算；平臺角度計算模塊是對平臺的實時角度進行計算。

仿真模型中的接口模塊包括串口數據接發模塊和網絡數據接發模塊。其中串口數據接發模塊是為了接收無人機所發送的數據以及發送仿真數據給無人機。網絡數據接發模塊是發送飛機狀態數據到視景計算機，以及從視景計算機接收圖像和無人機當前狀態信息、任務設備相關數據。

3.2 視景機軟件

圖3 仿真系統開發流程圖

視景仿真就是要利用三維圖像再現無人機的飛行過程。為了使訓練效果更好，模擬場景應該逼近真實飛行場景。視景仿真分三維實體建模和場景驅動兩部分。經比較，本設計把Vega Prime 視景仿真平臺、Multigen Creator建模工具以及VC++結合設計視景仿真。首先利用Creator 強大的三維建模能力建立虛擬三維實體，然后在Vega Prime中將三維實體模型生成虛擬場景，并通過Vega Prime 的交互函數控制虛擬場景，最后再通過VC++生成界面［3］。仿真系統開發流程圖如圖3 所示。

3.2.1 三維實體建模

視景仿真中三維實體建模分無人機建模和地形建模。

圖4 陰天和晴天飛行情況

圖5 任務設備觀測圖

無人機建模包括無人機本體建模、無人機任務設備建模。無人機本體建?？芍苯永肅reator 進行建模。無人機本體一般來說可見結構包括：機頭、機身、機翼、水平尾翼、垂直尾翼、副翼舵、方向舵、升降舵等部分。無人機本體結構復雜，故可采用放樣方法來創建。無人機任務設備本文只設計成能完成攝像偵查任務的光電吊艙，能仿真出真實任務設備所能完成的所有動作。

地形建模主要是建立實時的地形模型如山川、河流、建筑等。Terrain Pro 是Multigen Creator 的地形建模模塊，能夠快速創建大面積地形數據庫，它可以使建立的地形非常接近真實世界，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換算法的選擇是地形生成過程的關鍵技術［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根據所要建立的地形而定。地形轉換算法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換算法也應根據實際情況合理選擇。

3.2.2 場景驅動

視景驅動就是要把靜態的三維模型進行視景仿真，即設計視景仿真環境，讓使用者可以與場景進行交互，有各種感官效果，有身臨其境的感覺。三維視景仿真環境應包括無人機飛行驅動模塊、視點模塊、碰撞檢測模塊、仿真氣象模塊。

無人機飛行驅動模塊就是要在虛擬場景中控制無人機模型的六自由度運動；碰撞檢測模塊是要盡量模擬出物體間碰撞的真實狀態，如物體碰撞產生的爆炸、火焰、煙霧等。碰撞檢測可以增加虛擬場景的真實性。同時碰撞檢測可以用于感知地面的存在，才能更好地模擬無人機的起飛、降落、墜機等。碰撞檢測可以引入最常用的包圍盒方法來輔助碰撞檢測；仿真氣象模塊是模擬出不同天氣環境，如陰天、晴天、多云、雨天等，使仿真環境更加逼真。如圖4 所示為陰天和晴天飛行情況。

無人機視點模塊是要設計多個視點用于觀察無人機的飛行狀況以及用于實現任務設備載荷。當觀察無人機狀態時視點設在無人機本體旁的某一位置，時時跟隨著無人機，此時視景機顯示的圖像能看到無人機的飛行情況，即在圖像上能看到無人機本體。當需要實現任務載荷時，將視點設在任務設備上，此時視景機上的圖像就是任務設備所觀測到的圖像，視景機得把此時圖像傳送到仿真機，最終傳回地面控制站。如圖5 所示為某時刻任務設備所觀測到的圖像。

4 結 論

該訓練模擬器能夠完成模擬訓練。訓練器不僅能夠得到任務設備所觀測的圖像，還能得到無人機的飛行圖。飛控操作員能夠通過觀察無人機飛行圖找到自己操作的不足之處。該訓練器還能夠真實反映無線電傳送所造成的延遲，組成簡單，操作方便。由于訓練評估沒有統一標準，本文并未設計評估模塊，但該訓練模擬器足夠完成對操作員的訓練。

［1］ 吳佳楠，王偉.基于任務設備模擬的新型無人機訓練模擬器研究［J］.計算機測量與控制，2011，19（12）：3105-3107.

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

［3］ 徐鶴.基于Multigen Creator/Vega Prime 無人機三維視景仿真系統的設計與實現［D］.南京：南京航空航天大學，2008:1-12.

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

［5］ 盧衛平.基于Vega Prime/multigen creator 飛行復現視景仿真系統的設計［D］.南京：南京航空航天大學，2011.

［6］ 陳永春．從Matlab/simulink 模型到代碼實現［M］．北京：清華大學出版社，2002.

（編輯立 明）