云 超,李小民,鄭宗貴
(1.解放軍63891部隊,河南 洛陽 471003;2.軍械工程學(xué)院,石家莊 050003;3.第二炮兵研究院,北京 100085)
基于半實裝的無人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究與設(shè)計*
云 超1,2,李小民2,鄭宗貴3
(1.解放軍63891部隊,河南 洛陽 471003;2.軍械工程學(xué)院,石家莊 050003;3.第二炮兵研究院,北京 100085)
針對傳統(tǒng)面向無人機(jī)地面操控手測控訓(xùn)練任務(wù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)存在的缺點,分析了面向無人機(jī)地面操控人員測控訓(xùn)練任務(wù)的主要特點,提出了一種基于實裝地面測控站的無人機(jī)半實物仿真訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架,設(shè)計了典型無人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次和系統(tǒng)運行模式,與傳統(tǒng)面向地面操控手的無人機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)相比,所提出的仿真系統(tǒng)架構(gòu)具有逼真度高、易于實現(xiàn)和復(fù)用、開發(fā)技術(shù)成熟等優(yōu)點,在提高訓(xùn)練效率、節(jié)省訓(xùn)練成本方面具有重要應(yīng)用價值。
無人機(jī),仿真訓(xùn)練,面向測控訓(xùn)練,訓(xùn)練效率
無人機(jī)是集成了光、電、機(jī)、計算機(jī)等技術(shù)于一體的一種技術(shù)含量高、構(gòu)成復(fù)雜的新型裝備。它主要用于戰(zhàn)場偵察、毀傷評估、火力攻擊、通信監(jiān)聽、電子干擾、遠(yuǎn)程火力校射等,是提高遠(yuǎn)程精確打擊能力、信息戰(zhàn)能力、電子戰(zhàn)能力的重要手段。模擬訓(xùn)練可以不受場地、空間和氣候條件的限制,它既可進(jìn)行常規(guī)訓(xùn)練,還能培訓(xùn)操作手處理各種事務(wù)的應(yīng)變能力。所以它以其高效率、高效益倍受各國軍方的重視。隨著武器裝備的日趨復(fù)雜和兵器采辦費用的不斷提高,使得各國軍事部門將模擬訓(xùn)練作為軍事訓(xùn)練必不可少的手段之一,并且加以重點發(fā)展。
無人機(jī)地面操控手如果不能得到經(jīng)常性、系統(tǒng)性的實裝(實際裝備)動手操作訓(xùn)練,已有的經(jīng)驗也會慢慢“遺忘”,操作技能與操作水平的增長滯后乃至脫節(jié)于熟練操作裝備的需要,而且裝備熟練運用能力較弱,不僅導(dǎo)致裝備作戰(zhàn)效能得不到充分發(fā)揮,而且操作技能的弱化還將帶來極大的飛行安全隱患。據(jù)統(tǒng)計,無人機(jī)裝備90%以上損壞是由于操作人員操作熟練程度低以及維修保障能力差等原因造成的。
無人機(jī)模擬操作訓(xùn)練設(shè)備在使用過程中主要存在以下問題:一是基于飛行仿真模型的全軟件模擬訓(xùn)練系統(tǒng),主要側(cè)重對飛行過程的可視化仿真,它對理解工作原理、系統(tǒng)工作過程有一定幫助,但由于系統(tǒng)的真實感、沉浸感較差,而且訓(xùn)練功能單一,訓(xùn)練效果不佳;二是基于半物理仿真的模擬訓(xùn)練系統(tǒng),主要側(cè)重對操作按鍵的功能、操作流程的可視化理解學(xué)習(xí)。系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)雖然與實裝相似,但內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)差距較大,仿真度差。信號傳輸流程、信號結(jié)構(gòu)與實裝不一致甚至完全不同。而且這些系統(tǒng)往往結(jié)構(gòu)龐大,放置、操作使用不方便。
1.1 飛行模擬訓(xùn)練技術(shù)
飛行模擬訓(xùn)練就是運用飛行仿真系統(tǒng)進(jìn)行模擬訓(xùn)練,是目前世界上各空軍強(qiáng)國普遍采用提高戰(zhàn)斗力的一種手段,它可以模擬很多難度很大的技/戰(zhàn)術(shù)動作,既能保證飛行訓(xùn)練質(zhì)量,同時也可以避免訓(xùn)練中的危險和不必要的損失,還可以節(jié)省經(jīng)費開支,具有極大的經(jīng)濟(jì)效益。飛行仿真是以飛行器運動狀況為研究對象,它按照飛行器的飛行動力學(xué),空氣動力學(xué)以及飛行控制原理等相關(guān)理論建立起的數(shù)學(xué)模型,以仿真模型為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬仿真實驗和研究分析,進(jìn)而通過對模型的操作及仿真結(jié)果的分析,討論并推斷飛行器本身所具有的性質(zhì)及運動變化規(guī)律[1]。
1.2 研究動態(tài)
現(xiàn)代仿真技術(shù)的發(fā)展使仿真技術(shù)擴(kuò)展到了系統(tǒng)建模、仿真建模和仿真實驗等三項活動。在應(yīng)用仿真技術(shù)確定模型方面,采用了面向?qū)ο蟮慕7椒?,將抽象的?shù)學(xué)描述為面向?qū)ο蟮母鼮樽匀坏谋硎鲂问?,以類庫為基礎(chǔ)實現(xiàn)了模型的拼合與重用;在建模方面,采用了模型與試驗相分離技術(shù),即模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動;在仿真試驗方面,將仿真的運行控制與試驗框架區(qū)分開來,將輸出函數(shù)定義與仿真模型分離開來[1]。
美國是世界上最早開展模擬訓(xùn)練技術(shù)研究和應(yīng)用的國家之一,其技術(shù)和裝備一直居國際領(lǐng)先地位。20世紀(jì)80年代以來,為滿足高技術(shù)戰(zhàn)爭的需求,美軍開始將計算機(jī)模擬作戰(zhàn)訓(xùn)練作為軍事訓(xùn)練的基本手段。同時還可以通過衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)模擬實現(xiàn)大規(guī)模模擬軍事演習(xí)。從20世紀(jì)90年代起,美軍把作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)正式用于實戰(zhàn)。位于美國南部亞利桑那州華楚卡堡的無人機(jī)系統(tǒng)訓(xùn)練營(UASTB)模擬飛行時間占80%,而實際飛行時間只占20%,由此可見,無人機(jī)模擬訓(xùn)練在訓(xùn)練課程中的所具有的重要價值,典型的無人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 典型無人機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)
俄羅斯同樣是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的“強(qiáng)國”,俄羅斯為發(fā)展模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是不惜成本的,其數(shù)量約占全世界的一半,僅俄試飛院就有昂貴的空中飛行模擬訓(xùn)練系統(tǒng)十余種。其先進(jìn)武器裝備幾乎都編配有相應(yīng)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng),而且其模擬訓(xùn)練系統(tǒng)正朝著通用化的方向發(fā)展[2]。
英國、法國、德國等西歐國家都十分重視裝備的模擬訓(xùn)練。他們將模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的發(fā)展作為軍備競賽的重要方面,這致使其模擬訓(xùn)練技術(shù)和應(yīng)用始終處于世界的先進(jìn)行列,形成了十分繁榮的西歐“模擬訓(xùn)練系統(tǒng)”市場。以色列、韓國、日本和印度等國亦不例外,他們同樣不惜重金開發(fā)和普及模擬訓(xùn)練技術(shù)和相關(guān)設(shè)備[2]。
目前,無人機(jī)模擬訓(xùn)練方面所作的研究工作主要側(cè)重純軟件仿真或半物理仿真模式的模擬操作訓(xùn)練,而且模擬操作訓(xùn)練主要側(cè)重對飛行姿態(tài)的可視化表達(dá),訓(xùn)練內(nèi)容比較單一,此外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大與實際需要結(jié)構(gòu)簡單輕便的要求還具有較大差距。
青稞是共和縣主要種植作物之一,種植面積保持在1×104hm2以上,塘河地區(qū)是共和縣青稞種植的主要區(qū)域。由于長期種植連作或者兩年青稞、一年油菜的輪作模式,條紋病和黑穗病漸趨嚴(yán)重,產(chǎn)量降低,直接影響當(dāng)?shù)剞r(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民收入的提高[1]。
本文采用基于半實裝的無人機(jī)模擬操作訓(xùn)練框架結(jié)構(gòu),即采用“看得見的地面實裝”+“看不見的無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)”的組合方式來構(gòu)建仿真訓(xùn)練系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)框架如下頁圖2所示。
圖2 半實裝的無人機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架
其中,“實裝地面測控設(shè)備”主要指無人機(jī)系統(tǒng)中的地面數(shù)據(jù)終端和地面控制站等地面測控設(shè)備。采用這些實裝進(jìn)行訓(xùn)練,完全是真實環(huán)境,訓(xùn)練效果顯著且訓(xùn)練經(jīng)驗可直接應(yīng)用于實戰(zhàn)。當(dāng)前,由于無人機(jī)裝備的質(zhì)量狀況普遍提高且裝備更新周期明顯加快,因此,在無人機(jī)地面測控裝備的壽命內(nèi),完全不必要考慮其磨損的問題,而且采用實裝地面測控設(shè)備進(jìn)行模擬訓(xùn)練,不但能夠提高無人機(jī)操作人員的實裝的使用熟練程度和操作環(huán)境熟悉程度,還能代替地面測控設(shè)備定期“加電”維護(hù)保養(yǎng)工作;看不見的“虛擬”無人機(jī)飛機(jī)系統(tǒng)主要是指飛機(jī)飛行上天之后,不可見、采用仿真技術(shù)建立的無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng),它能夠模擬真實無人機(jī)在天空中飛行的所有行為。
3.1 無人機(jī)飛行仿真對象
無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)不僅適用于前期的飛行控制率設(shè)計,而且它還是后期模擬訓(xùn)練器的重要組成部分。仿真系統(tǒng)的逼真程度直接決定著控制率設(shè)計的優(yōu)劣和模擬訓(xùn)練器的訓(xùn)練效果,因此,仿真系統(tǒng)的逼真程度就顯得尤為重要。本文研究的是面向測控訓(xùn)練的無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng),因此,在分析無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和功能原理的基礎(chǔ)上,研究高逼真的仿真系統(tǒng)的構(gòu)建方法,而基于模型的飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計則依賴系統(tǒng)精確的模型,即要求模型能夠正確反映系統(tǒng)的本質(zhì)特征,所以,建立高逼真的無人機(jī)動態(tài)仿真模型是仿真系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。
通常無人機(jī)系統(tǒng)可以分成3大部分:地面系統(tǒng)、飛機(jī)系統(tǒng)和任務(wù)載荷。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。①地面系統(tǒng)包括:地面輔助設(shè)備、地面監(jiān)控分系統(tǒng)、起飛著陸系統(tǒng)地面部分、遙控遙測系統(tǒng)地面部分;②飛機(jī)系統(tǒng)包括飛行器平臺、推進(jìn)系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、起飛/著陸系統(tǒng)機(jī)載部分、遙控遙測系統(tǒng)機(jī)載部分等;③任務(wù)載荷部分是無人機(jī)攜帶的機(jī)載任務(wù)設(shè)備,主要完成特定的作戰(zhàn)任務(wù),如偵察、攻擊、校射等。根據(jù)機(jī)載設(shè)備的不同它主要分為機(jī)載偵察設(shè)備或機(jī)載攻擊設(shè)備。無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖3所示[3]。
圖3 無人機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖
本文所設(shè)計的飛行仿真系統(tǒng)主要是用于無人機(jī)地面操控人員的模擬訓(xùn)練。因此,將機(jī)載任務(wù)設(shè)備列為一個單獨的系統(tǒng)模塊,它主要完成機(jī)載任務(wù)設(shè)備的有效仿真,即完成機(jī)載偵察設(shè)備或機(jī)載武器設(shè)備的仿真功能。
飛機(jī)系統(tǒng)和地面測控站通過數(shù)據(jù)鏈路相連,遙控遙測的地面部分和機(jī)載部分構(gòu)成了無人機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路,它負(fù)責(zé)無人機(jī)系統(tǒng)的指令、數(shù)據(jù)、情報的上傳下達(dá)。另外,無人機(jī)的使用和保障人員是無人機(jī)系統(tǒng)不可缺少的組成部分,所以,有時候在進(jìn)行無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計、研制和使用過程時,也必須考慮人的因素[3]。
3.2 無人機(jī)仿真系統(tǒng)研究方案
建立高逼真的無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)是研究的重點,采用理論研究與實驗驗證相結(jié)合的方式。首先從理論上建立高逼真的無人機(jī)動力學(xué)模型、運動學(xué)模型、飛行環(huán)境模型和控制率模型等基本模型,然后分析研究各個子系統(tǒng)模型之間的耦合關(guān)系和信息交互方式,進(jìn)而將其組合成無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng),最后通過實際無人機(jī)的飛行數(shù)據(jù)對這些模型進(jìn)行修正,即利用典型無人機(jī)裝備進(jìn)行訓(xùn)練測試——實驗驗證。無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)總體研究方案如圖4所示。
圖4 無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)研究方案
3.3 飛行仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)
文中提出了一種基于面向?qū)ο笏枷氲哪K化、分層結(jié)構(gòu)的無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)設(shè)計方案。面向?qū)ο蠹夹g(shù)認(rèn)為客觀世界是由各種相互作用的對象組成,它對復(fù)雜系統(tǒng)的建模易于理解、擴(kuò)充、和與其他新技術(shù)、新方法(如人工智能)相結(jié)合,能夠較好地解決模型的可靠性、準(zhǔn)確性和柔性等問題[4]。根據(jù)無人機(jī)飛機(jī)系統(tǒng)的實際構(gòu)成和各個部件的連接關(guān)系,可將無人機(jī)的飛機(jī)系統(tǒng)劃分為一系列相互獨立的對象模塊并建立各自對象的數(shù)學(xué)模型。
依據(jù)無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)的設(shè)計要求,在面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計理論基礎(chǔ)上,提出了一種模塊化、層級式的體系結(jié)構(gòu),整個無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)分為3大模塊:①飛控計算機(jī)子系統(tǒng)模型;②飛行運動解算子系統(tǒng)模型;③感知與執(zhí)行子系統(tǒng)模型。每個子系統(tǒng)模型又由若干子功能模塊組成,無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)模塊層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖
3.3.1 飛控計算機(jī)子系統(tǒng)模型
它是整個飛行仿真系統(tǒng)的“決策”部分,相當(dāng)于無人機(jī)的大腦,主要完成飛控計算機(jī)的功能,即能夠?qū)崟r接收地面站的遙控信息,并能夠根據(jù)無人機(jī)狀態(tài)、遙控指令和外界環(huán)境因素綜合制定無人機(jī)的飛行任務(wù)和機(jī)載設(shè)備的工作任務(wù)。它具有全局的規(guī)劃能力、管理能力和指揮控制系統(tǒng)運行的能力。
3.3.2 飛行運動解算子系統(tǒng)模型
它是仿真系統(tǒng)的“運行”部分,相當(dāng)于無人機(jī)系統(tǒng)中的飛行運動解算部分,它包含飛行器自身的物理部件中的動力學(xué)和運動學(xué)仿真模型或其功能部件仿真模型,它主要依據(jù)解碼出的發(fā)動機(jī)馬力指令計算出馬力大小,然后按照飛行動力學(xué)與運動學(xué)原理實時解算出無人機(jī)的飛行狀態(tài)信息(包含飛機(jī)的3個軸速度和3個姿態(tài)角)。
3.3.3 感知與執(zhí)行子系統(tǒng)模型
它是仿真系統(tǒng)的行為“感知與執(zhí)行”部分,相當(dāng)于無人機(jī)系統(tǒng)的感知與執(zhí)行器官,是一個綜合的協(xié)作模型,應(yīng)該具有精確的控制性和良好的協(xié)作性,因為對無人機(jī)系統(tǒng)的控制包含了飛行器本身的姿態(tài)控制、飛行的航跡控制和機(jī)載任務(wù)設(shè)備的控制,它們之間不是獨立的,而是存在著復(fù)雜的耦合關(guān)系。
3.4 飛行仿真系統(tǒng)運行機(jī)制
飛行仿真系統(tǒng)包含若干功能模塊,每個功能模塊有許多子功能組成,如何有效地管理、組織整個仿真系統(tǒng)按照子功能的邏輯順序?qū)崟r、高效地運行是實現(xiàn)飛行仿真的關(guān)鍵。它們應(yīng)該在一個統(tǒng)一的應(yīng)用框架下,按照仿真數(shù)據(jù)的流程并依據(jù)模塊內(nèi)高聚合,模塊間低耦合的原則運行。
相對于一般的飛行仿真系統(tǒng),訓(xùn)練用無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)又包含自身的特點,它主要針對飛行操控任務(wù)和飛行操作流程任務(wù),因此,需要考慮的問題包括飛行操作境的逼真度和操控任務(wù)的真實程度。另外還需要考慮仿真系統(tǒng)的快速開發(fā)和靈活建模,為實現(xiàn)具有開放性、可擴(kuò)展性、可維護(hù)性的飛行仿真系統(tǒng),采用面向?qū)ο蟮腃++語言與統(tǒng)一的運行框架體制,各個系統(tǒng)模塊在統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)框架下設(shè)置一個高度抽象的類CUAV,這個類提供給各個模塊模型公共的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和公共的操作定義,這個類不存在具體實例,各個模塊模型根據(jù)自身的需求具體地實現(xiàn)這些操作。
整個仿真系統(tǒng)的子系統(tǒng)模塊類被封裝在整體類中,子系統(tǒng)類對象是整體類的成員對象,所以,在整體類對象構(gòu)建的同時完成子系統(tǒng)類對象的實例化,子系統(tǒng)類對象實例化前應(yīng)該調(diào)用CUAV的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行基類(CUAV)的初始化。當(dāng)由CUAV派生的整體類和部件類都被實例化之后,就可以實現(xiàn)各個仿真模塊模型的串聯(lián),進(jìn)而可以使用循環(huán)方式和遞歸方式控制仿真系統(tǒng)按順序執(zhí)行。
CUAV提供了各個系統(tǒng)仿真模型的運行框架,其派生類按照統(tǒng)一的框架各自獨立封裝,派生類之間通過接口交互。CUAV采用鏈表記錄各個仿真模型的地址,這種方法不僅可以有效地對各個仿真模型進(jìn)行調(diào)度、管理,而且增加了整個仿真系統(tǒng)的靈活性,新開發(fā)的仿真模型可以方便地鏈接到鏈表中以相同的方式組織、調(diào)用。
本文研究了面向測控訓(xùn)練任務(wù)的無人機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng),提出了適用于高逼真模擬訓(xùn)練的半實裝無人機(jī)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),即采用:“真實無人機(jī)地面測控設(shè)備”+“無人機(jī)飛行仿真系統(tǒng)”的框架結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)形式的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)非常適合于無人機(jī)地面操作人員的日常訓(xùn)練需求,采用了“總—分”的建模路線和模塊化、層級式的結(jié)構(gòu)框架,根據(jù)訓(xùn)練型仿真系統(tǒng)設(shè)計了基于全任務(wù)的系統(tǒng)統(tǒng)一運行機(jī)制。所提出的仿真系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)和運行機(jī)制不但能夠提高系統(tǒng)建模的靈活性,還能夠增強(qiáng)仿真系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和實現(xiàn)的高效性。這種方法也能夠給其他的訓(xùn)練型仿真系統(tǒng)的研究設(shè)計提供借鑒意義。
[1]童中翔.飛行仿真技術(shù)的發(fā)展與展望[J].飛行力學(xué),2002,20(3):5-8.
[2]劉興堂.論軍用模擬訓(xùn)練器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].空軍工程大學(xué)學(xué)報,2001,(2)4:19-21.
[3]魏瑞軒,李學(xué)仁.無人機(jī)系統(tǒng)及作戰(zhàn)使用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009.
[3]王行仁,賈榮珍.飛行實時仿真系統(tǒng)及技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998.
[4]張 鐳.飛行模擬器飛行仿真系統(tǒng)建模與軟件實現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2009.
[5]Paul G F,Thomas J G.無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.
[6]樊 軍.訓(xùn)練型飛行模擬器系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究.[D]西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.
UAV Simulation Training System Research and Design Implement Based on Half Real-equipment
YUN Chao1,2,LI Xiao-min2,ZHENG Zong-gui3
(1.63891 Ttoops of PLA,Luoyang 471003,China;2.Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003,China;3.Academe of Second Artillerist,Beijing 100085,China)
Contrapose traditional remote sensing and control training task oriented for UAV ground operator have much disadvantage,it analyzes the character of training task mainly for UAV ground operator,and it brings to construct framework for UAV half-equipment simulation training system which is based on real ground remote sensing and control station.Then design the framework layer and operation mechanism is designed for typical UAV simulation training system.Contrast traditional simulation training system oriented for UAV ground operator,the structure of the system which brings by the project have much advantage for high fidelity,easily accomplish and multiplexing,development technology maturity,it has important applied value for improve training efficiency and reduce training cost.
UAV,simulation training,remote sensing and control training oriented,training efficiency
V279
A
1002-0640(2014)11-0124-04
2013-08-25
2013-10-30
武器裝備科研基金資助項目(51325050101)
云 超(1984- ),男,陜西寶雞人,在讀博士。研究方向:無人機(jī)飛行仿真與模擬訓(xùn)練技術(shù)。