陳紹志,張云秀,張 煒

(濰坊工程職業(yè)學院 山工機電工程學院，山東 青州 262500)

淺析無人機模擬器在駕駛培訓中的應用

陳紹志,張云秀,張 煒

(濰坊工程職業(yè)學院 山工機電工程學院，山東 青州 262500)

隨著我國逐漸開放低空空域，民用無人機得到越來越廣泛的應用，對無人機駕駛人員的需求也越來越大，無人機訓練機構在訓練初期普遍采用無人機模擬器對駕駛員進行訓練，無人機模擬器既能夠滿足訓練要求，又能夠節(jié)約費用、降低風險，但其自身也存在局限性，不可完全取代真實的無人機駕駛訓練。

無人機；模擬器；駕駛培訓；作用

無人機在軍事領域的成功使用，使各國軍方越來越重視無人機的使用，從而帶動無人機技術得到突飛猛進的發(fā)展，同時帶動了民用無人機的發(fā)展。隨著我國低空空域的不斷開放，民用無人機得到了越來越廣泛的應用，例如街景拍攝、監(jiān)控巡察、電力巡檢等。無人機飛控技術越發(fā)達，對無人機的手動操控技術要求越高，想要成為無人機駕駛員必須經過系統(tǒng)的駕駛操控技術培訓。無人機駕駛員操控技術的培訓是一項技能培訓，要想掌握此項技能，就必須進行大量的飛行訓練。在無人機駕駛培訓初期，學員對飛機動作的反應不熟練，容易造成事故，為了有效緩解真實無人機訓練帶來的弊端，訓練機構會安排一定時間的無人機模擬器訓練。

1 真實無人機訓練的弊端

大量訓練是練就過硬無人機操控技能的保障，真實的無人機訓練會存在一些弊端。第一，客觀條件不允許過多的真機訓練，真機訓練的風險較大。無人飛機與有人飛機存在較大的差異，當有人駕駛飛機出現(xiàn)故障時，飛行員可以根據(jù)具體情況采取一定的措施，盡可能地讓飛機安全著陸，但無人機若在飛行時發(fā)生故障，操控人員無法直接接觸飛機，很有可能導致飛機墜毀。第二，在無人機手動操控訓練時，訓練初期無人機操控人員對飛機的飛行特性不夠熟悉，新學員手動操作時容易出現(xiàn)失誤，無人機的飛行速度又很快，若失誤以后無法及時修正的話，極可能造成飛機墜毀，甚至可能造成人身傷亡。第三，真實無人機訓練的花費過大。進行無人機實機訓練，對飛機的要求極高，需要配備無人機飛行和機械安全的保障人員。在無人機訓練初期的帶飛階段，還需要教員的實時指導和輔助修正。真機訓練還需要消耗油料、電池等物資，同時會對無人機的有關部件造成磨損，減少無人機的壽命。

2 無人機訓練模擬器的構成

為充分發(fā)揮無人機模擬器的各項性能，我們需要對無人機模擬器的結構進行了解。無人機模擬器主要由地面站控制仿真模塊、無人機任務載荷仿真模塊、地面站與無人機數(shù)據(jù)鏈路仿真模塊、數(shù)據(jù)處理圖像生成模塊、無人機飛行控制仿真模塊、圖像顯示終端模塊和訓練評估模塊等組成。本文主要參考葉曉慧等[1]設計的無人機訓練模擬器，總體結構如圖1所示。

無人機地面站與無人機仿真數(shù)據(jù)鏈路向模擬無人機發(fā)出飛行控制的指令和無人機攜帶設備的任務載荷的指令。飛控的仿真模型接收到飛行控制的指令后，飛控仿真模塊把無人機當前的飛行參數(shù)與控制指令中的飛行參數(shù)進行對比分析，數(shù)據(jù)處理模塊通過計算得到當前無人機的飛行位置和姿態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)計算結果生成下一步的控制數(shù)據(jù)，控制無人機飛行。無人機機載設備需要通過處理任務載荷控制指令的數(shù)據(jù)，得到指令結果控制無人機機載設備完成工作任務。之后，無人機飛行的仿真數(shù)據(jù)和任務載荷的仿真數(shù)據(jù)作為圖像生成模塊的輸入數(shù)據(jù)，由圖像生成模塊對數(shù)據(jù)進行處理，最終的結論數(shù)據(jù)通過視顯系統(tǒng)把無人機和機載設備的工作情況以人機交互的模式呈現(xiàn)出來。同時兩條線路的數(shù)據(jù)都將輸入到訓練評估模塊，由該模塊對無人機的模擬訓練情況作評估。各模塊具體參數(shù)根據(jù)葉曉慧[2]的設計整理而成，見表1。

圖1 無人機模擬器總體結構圖

表1 無人機模擬器模塊參數(shù)表

3 無人機模擬器的作用

為解決采用實際無人機進行訓練帶來的問題，借助無人機訓練模擬器訓練是很好的選擇。為使模擬器訓練更接近真實無人機訓練的效果，可以對無人機手動操作的相關設備，如手柄、鍵盤、按鈕等，采用和無人機真機訓練設備外形和質感一樣、功能相同的設備，這樣通過模擬器進行訓練的人員將得到和操作真實的無人機一樣的操作反饋[3]，達到同樣的訓練效果。

無人機操控人員通過進行模擬器訓練，可以完成多種訓練科目。對于剛接觸無人機操作的學員，開始階段幾乎無法完成真機的飛行操作，必須在無人機訓練模擬器上達到熟練操控飛機的程度才可以進行真機訓練。下面分析無人機模擬器的主要作用。

3.1 模擬器訓練的可逆性，有效避免學員的恐懼心理

在模擬器訓練時飛機模型具有可逆性，飛機模型墜毀后可即時生成新模型。以直升機為例，直升機在日常應用中最重要的動作就是懸停。對于初學者手動控制直升機達到懸停的狀態(tài)是非常有難度的，需要重復的自主強化訓練達到手部微調動作的養(yǎng)成。無人機駕駛學員剛開始練習模擬器時，由于對飛機的操控比較陌生，在短時間內就會發(fā)生墜機。如果這種情況發(fā)生在真機訓練時，學員會產生比較緊張的心理。如果發(fā)生在真機訓練的帶飛階段，教員會提前接管飛機，以防止發(fā)生墜機事件，這樣學員的操作權利就被剝奪了，從而導致學員無法體會到在多種情況下飛機的操作手法。在無人機模擬器訓練時，墜機后會馬上生成新的模型，學員不存在墜機的恐懼心理，并可以充分體會到各種應急情況下的操作手法。在無人機模擬器訓練時，學員可保持比較平和的心態(tài)，從而更容易熟練掌握無人機的操控技能。

3.2 模擬器訓練可實現(xiàn)單通道控制，便于學員選擇訓練動作

飛機在空中飛行，可以產生俯仰運動、偏航運動和滾轉運動。在真實飛行過程中這些動作有時需要同時完成，對應的具體操作為升降舵操作、方向舵操作和副翼操作。無人機操控者需要迅速協(xié)調的完成手部動作，以達到無人機的平穩(wěn)控制。這對于剛開始進行無人機駕駛培訓的學員是無法同時完成的，需要分別進行訓練，這在真機訓練中是無法實現(xiàn)的。模擬器訓練可以實現(xiàn)單通道控制，模擬器操控者可以選擇單升降舵操作、單副翼舵操作和單方向舵操作。在單通道訓練熟練后，模擬器操控者還可選擇雙通道訓練，即升降加副翼操作、升降加副翼操作和副翼加方向操作。這樣操作難度由簡到難，符合人的認知規(guī)律，無人機模擬器訓練人員容易更快速的適應無人機操控訓練，在短時間內即可達到較理想的訓練效果。

3.3 模擬器訓練可降低成本，進行可逆性訓練

經過初級階段無人機模擬器的訓練，無人機駕駛學員可以形成對無人機動作反饋快速準確的條件反射。這樣可以有效避免真機訓練的弊端，大大降低風險、避免操作失誤而造成無人機墜機等造成的損失，減少油料、電池等的消耗，節(jié)約經費，降低訓練成本。無人機操控人員可以通過模擬器不斷的進行可逆性訓練，強化特定動作的訓練效果，不斷提升自身的無人機操控技能。

4 無人機模擬器的局限性

無人機模擬器在無人機駕駛訓練中發(fā)揮了重要的作用，但也有其局限性，我們要尋求在實機訓練與模擬訓練之間建立某種平衡。對于傳統(tǒng)的無人機系統(tǒng)，使用模擬器的主要作用在于節(jié)省訓練費用和維持飛機有限的使用壽命[4]。模擬器訓練應作為實際訓練的補充，而非完全替代。無人機模擬器不能模擬無人機的所有程序，也不能將所有類型的無人機融入其中，例如模擬器并不適宜進行無人機的著陸訓練，無人機駕駛員不能很好地從模擬器獲取飛機著陸狀態(tài)的反饋。特別在無人機執(zhí)行具體任務時，空地協(xié)同任務的完成需要更多的實際訓練。模擬器只能替代無人機本身，無法完成對宏觀任務的計劃、協(xié)同、決策等進行模擬。

結束語

無人機模擬器可以模擬無人機從起飛到著陸之間的各個環(huán)節(jié)，有利于初學者手動操控與飛機動作之間條件反射的建立和無人機駕駛員熟練駕駛技能的培養(yǎng)。在無人機操控學習的起步階段，使用模擬器訓練可相應地減少真機訓練的時間，從而降低無人機駕駛培訓的成本。伴隨著計算機硬件技術和飛行仿真技術的發(fā)展，無人機模擬器將更加完善，將在駕駛員培訓方面發(fā)揮更大的作用。

[1]葉曉慧.海軍無人機裝備保障論證報告[R].武漢：海軍工程大學,2007.

[2]葉曉慧.無人機訓練模擬器設計[J].艦船電子工程，2008,(9):42-45.

[3]王哲.民用飛機飛行模擬器的設計與發(fā)展[J].航空科學技術，2001，(1)：31-32.

[4]王濤.美軍打造無人機系統(tǒng)訓練戰(zhàn)略[J]. 現(xiàn)代軍事，2015，(7)：99-108.

(責任編輯：劉小林)

10.3969/j.issn.1009-2080.2015.06.021

2015-11-20

陳紹志(1986-)，男，山東青州人，濰坊工程職業(yè)學院山工機電工程學院助教，碩士。

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1009-2080(2015)06-0080-03