， ，于進

(海軍航空工程學(xué)院 控制工程系，山東 煙臺 264001)

0 引言

無人機是集成了飛行控制、慣性導(dǎo)航、任務(wù)跟蹤、光電偵察等多種技術(shù)于一身的新型復(fù)雜裝備[1]，對無人機機務(wù)人員的維護保障工作提出了較高要求，需要系統(tǒng)學(xué)習(xí)才能理解掌握無人機裝備工作原理，經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練才能熟練無人機裝備的操作使用，以保證順利完成飛行任務(wù)。目前，無人機機務(wù)人員的學(xué)習(xí)訓(xùn)練主要通過學(xué)習(xí)多媒體教學(xué)軟件、參加接裝培訓(xùn)及上崗考核等方式，存在學(xué)習(xí)趣味性差、裝備損耗大、成本高、訓(xùn)練效果欠佳等問題[2-3]。結(jié)合部隊需求背景，本文選擇一種將虛擬仿真技術(shù)與無人機機務(wù)維護操作相結(jié)合的方式，把真實的工作環(huán)境通過虛擬仿真技術(shù)模擬出來，為機務(wù)人員提供一個近似真實的學(xué)習(xí)訓(xùn)練環(huán)境，再現(xiàn)無人機由外到內(nèi)的機體結(jié)構(gòu)、機載設(shè)備連接關(guān)系、拆裝維護步驟等，最終達到用模擬仿真訓(xùn)練來代替實裝訓(xùn)練的目標，以減少裝備損耗、降低成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為達到模擬訓(xùn)練的最佳效果，某型無人機仿真訓(xùn)練及考核系統(tǒng)在設(shè)計上遵循逼真性、完備性、實用性、模塊化的原則，將系統(tǒng)分為用戶管理、學(xué)習(xí)與訓(xùn)練、考核、后臺試題管理、后臺資源管理五部分。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

1)用戶管理。

用戶管理模塊主要用于管理登錄賬號注冊、登錄密碼設(shè)置、用戶角色選擇等內(nèi)容，其中用戶角色分為學(xué)員角色和教員角色。

2)學(xué)習(xí)與訓(xùn)練。

無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的核心就是學(xué)習(xí)與訓(xùn)練模塊。設(shè)備學(xué)習(xí)模塊主要通過三維模型展示、360度旋轉(zhuǎn)、縮放等交互方式，增強系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、戰(zhàn)技指標、工作原理及功能等專業(yè)理論知識學(xué)習(xí)的趣味性。仿真訓(xùn)練模塊模擬了真實的維修訓(xùn)練場景，根據(jù)無人機軍事訓(xùn)練大綱中裝備維護保障操作的規(guī)范性要求，設(shè)計了典型設(shè)備的拆裝流程、維護保養(yǎng)方法、故障診斷與排除等機務(wù)操作內(nèi)容。

3)考核。

考核模塊的考核方式包括選擇題、判斷題、簡答題及仿真操作題。所有試題內(nèi)容存儲在數(shù)據(jù)庫中，在設(shè)計仿真操作題時，根據(jù)操作復(fù)雜程度設(shè)定每題的規(guī)定操作時間，以學(xué)員答題時間及操作步驟為考核標準，量化考核成績。

4)后臺試題管理。

試題管理模塊包括對選擇題、判斷題、簡答題及仿真操作題的管理，以教員角色登錄系統(tǒng)，可以在后臺修改、刪除和增加試題庫內(nèi)容，保證試題庫內(nèi)容的及時更新。教員可采用手動和自動兩種模式出題，發(fā)布試卷并保存到數(shù)據(jù)庫中，并可試卷管理中對試卷ID、創(chuàng)建時間、出題教員信息進行修改。

5)后臺資源管理。

后臺資源管理采用開放式設(shè)計思想，可根據(jù)無人機裝備教學(xué)需要，可新增裝備及設(shè)備類型，實時更新設(shè)備的文本信息、三維模型及三維動畫等內(nèi)容。

2 軟件總體設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計原則

在進行軟件設(shè)計時，主要遵循以下原則：

1)可同時滿足功能性需求和非功能性需求；

2)遵循實用性及復(fù)用性原則，最大程度提高軟件開發(fā)效率；

3)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，將實體的屬性與操作進行封裝而形成類；

4) 采用模塊化設(shè)計思路，對系統(tǒng)的功能進行比較清晰的模塊劃分，以達到高內(nèi)聚低耦合的目的。

2.2 軟件系統(tǒng)框架

軟件系統(tǒng)技術(shù)框架如圖2所示，系統(tǒng)采用C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)，整個系統(tǒng)工程劃分為四層：

圖2 軟件系統(tǒng)技術(shù)框架

1)基礎(chǔ)層，主要采用Unity3D程序庫[4]，包含了基于.NET Framework 的開源框架Mono腳本支持庫、Shader渲染著色引擎庫；NIDIA 強大的物理引擎，以及高質(zhì)量粒子系統(tǒng)，這些特效均可輕松上手，且效果逼真，可以方便、準確地開發(fā)出所需要的物理特效；基于 Direct X 和Open GL 的一種可以實現(xiàn)高度優(yōu)化的圖形二維、三維渲染庫。

2)數(shù)據(jù)層主要采用SQLite數(shù)據(jù)庫，分為五大類：用戶信息庫、資源庫、設(shè)備信息庫、三維模型庫、試題庫。

3)業(yè)務(wù)邏輯層，對用戶需求的支持，包含了用戶登錄流程、設(shè)備學(xué)習(xí)模塊、仿真考核模塊、后臺管理模塊。

4)界面展示層，使用了Unity自帶的靈活美觀的界面庫UGUI、OnGUI；UIWidgets第三方界面UI插件，包含Combobox、ListView、Progressbar、TileView等多類動態(tài)部件；HighlightingSystem第三方高亮插件，可支持各類樣式的高亮效果[5]。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 三維建模技術(shù)實現(xiàn)

無人機模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中三維模型的構(gòu)建主要借助3dsMax軟件完成，該軟件是目前最流行的三維建模工具，可使用多邊形、面片或改變面的尺寸和方向等方式建立角色，操作簡單便捷；系統(tǒng)所采用的三維引擎為Unity3D，能夠支持多種格式的三維模型導(dǎo)入，可視化界面友好，腳本開發(fā)方便，模型庫與漫游庫完備，能夠極大的減少開發(fā)復(fù)雜度，且模型細節(jié)清晰，高質(zhì)量粒子，效果逼真。

1)無人機外觀建模。

無人機的外形及骨架包含大量的曲面形態(tài)，適合利用PATCH方式建模[6]，這種建模方法是由點曲面建模引發(fā)出的，通過將平面形變，從而得到復(fù)雜的面模型。根據(jù)到部隊采集的無人機外觀尺寸數(shù)據(jù)和圖片素材在3dsMax中進行輔助建模，建好的無人機模型在3dsMax中的線框圖和渲染圖效果如圖3所示。

圖3 無人機在3dsMax中的線框圖、渲染圖效果

2)設(shè)備模塊建模。

無人機內(nèi)部機載設(shè)備的外形較為規(guī)則，因此主要利用多邊形建模方式，該建模方式首先需要建立基礎(chǔ)多邊形，再通過調(diào)整邊數(shù)及面數(shù)，建立新的面并通過這個新的面擠出新的多邊形，之后利用不同的修改器調(diào)整多邊形的形狀。建模的基礎(chǔ)模型主要采用立方體、圓柱體、球體、切角長方體、切角圓柱體等標準幾何體通過各種組合形成；其中一些螺釘、螺帽、搭鐵線等重復(fù)性的模型可以通過復(fù)制、鏡像、整列等工具命令獲得；一些孔狀或切割的形狀通過布爾運算方式建模；其他常用的修改器命令還包括：擠出、殼、切片、倒角、網(wǎng)格平滑等。

通過基礎(chǔ)幾何體及操作工具，根據(jù)采集到的無人機機載設(shè)備模型尺寸、圖片等信息進行建模，模型建好后導(dǎo)出為fbx模型，再將fbx模型集成到unity3d主模型中，并進行渲染。

3)設(shè)備信號線電纜建模。

無人機模型中的信號線及電纜線主要通過3種方式建模實現(xiàn)：

①局部拼接。

本文建立的3種局部線模型分別為直線模型、彎曲45度線模型、彎曲90度線模型，斷點用球體結(jié)束以便于后續(xù)拼接；在Unity3d主模型中通過對3種基礎(chǔ)形態(tài)的模型進行三維方向上的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等方式進行拼接，組合成需要的線纜模型形態(tài)。此種方式建立的信號線或電纜線模型較為流暢順滑，符合線纜物理受力情況，不會產(chǎn)生特別突兀的彎曲情況，并且在Unity3d中使用、修改較為靈活。無人機模型中大部分電纜采用此種方式建模。

②樣條線建模。

樣條線建模是指在3dsMax中，利用樣條線工具繪制電纜線，微調(diào)電纜線中每個頂點的位置，并設(shè)置調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，最終將電纜線導(dǎo)出為fbx模型便于在Unity3D環(huán)境中使用的方法。此種方式建模較簡單快捷，適合較復(fù)雜細小的線路建模，對于只需要二維情況彎曲的線路建模更為方便；但由于手動點選彎曲位置及程度，某些位置的線路彎曲較為不自然，彎曲較為突兀生硬，不符合實際的物理受力情況，并且在Unity3D中后續(xù)修改和調(diào)整較為不便。

③螺旋線建模。

螺旋線建模是指在3dsMax中，使用螺旋線工具拖拽出初始螺旋線，調(diào)整螺旋線相關(guān)參數(shù)，轉(zhuǎn)換為可編輯多邊形后，最終將電纜線導(dǎo)出為fbx模型便于在Unity3D環(huán)境中使用的方法。此種方式建模較簡單快捷，適合螺旋形狀的線路建模。

3.2 三維模型交互實現(xiàn)

1)漫游瀏覽功能實現(xiàn)。

為了實現(xiàn)真正的模擬仿真，通過使用 Unity3D的漫游特征，來實現(xiàn)機體內(nèi)外結(jié)構(gòu)的展示。在模擬訓(xùn)練過程中，操作人員可以通過鼠標和鍵盤控制漫游角度，根據(jù)需要自由地進行視角切換，檢查機體內(nèi)部設(shè)備的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)。

根據(jù)無人機軍事訓(xùn)練大綱要求，需要將無人機機體內(nèi)部機載設(shè)備的安裝方式、結(jié)構(gòu)組成及其連接關(guān)系真實地再現(xiàn)給操作人員。根據(jù)這一需求，使用Unity3D技術(shù)和3Dmax相結(jié)合的方式，成功地實現(xiàn)了機載設(shè)備的三維展示，包括角度的旋轉(zhuǎn)和移動等功能[7]。在Unity3D 環(huán)境中無人機機載設(shè)備的移動和旋轉(zhuǎn)，本文主要通過C#編寫的腳本來實現(xiàn)。

①中心點圍繞技術(shù)。

在Unity3D中，中心點圍繞技術(shù)的實現(xiàn)主要借助API提供的一個物體圍繞另一個物體旋轉(zhuǎn)的接口函數(shù)RotateAround (point:Vector3,asis:Vector3,angle:float)，按照angle度通過在世界坐標的point軸旋轉(zhuǎn)物體，該技術(shù)主要用于實現(xiàn)在設(shè)備學(xué)習(xí)模塊中對無人機機體及機載設(shè)備的觀察功能。其實現(xiàn)方法為：在主視角相機腳本中調(diào)用該函數(shù)，設(shè)置需要觀察的無人機機體及機載設(shè)備的中心坐標，獲取鼠標移動速度，進而計算出旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)角度。

②拖動平移技術(shù)。

拖動平移技術(shù)可理解為用鼠標拖動視角相機相對跟隨運動，以達到鼠標拖動視角的效果，該技術(shù)主要應(yīng)用于無人機模型的瀏覽。技術(shù)難點在于當(dāng)相機視角方向不同時，用鼠標拖動相同的方向相機移動方向會不同，所以需要得到相機視角的方向向量，用點乘的方式將相機視角的方向向量與鼠標拖動的方向向量相乘，得到相機移動的方向向量，再根據(jù)鼠標拖動距離計算相機移動距離。

③四元數(shù)旋轉(zhuǎn)技術(shù)。

四元數(shù)旋轉(zhuǎn)技術(shù)主要用于解決虛擬環(huán)境中相機視角的旋轉(zhuǎn)問題。四元數(shù)本質(zhì)上是一種高階復(fù)數(shù)，是一個四維空間，它的虛部包含了3個虛數(shù)單位：i、j、k，即一個四元數(shù)可以表示為x=a+bi+cj+dk。在Unity3D里，tranform組件中有一個變量名為rotation，它的類型就是四元數(shù)。根據(jù)四元數(shù)旋轉(zhuǎn)規(guī)律，在相機腳本中調(diào)用旋轉(zhuǎn)AIP函數(shù)可實現(xiàn)相機固定自轉(zhuǎn)。

2)三維拾取功能實現(xiàn)。

三維鼠標拾取功能的實現(xiàn)原理是基于在鼠標點擊位置，按照相機視角方向發(fā)射一條射線，在第一個碰撞的碰撞體上停下并返回當(dāng)前碰撞的物體信息。具體實現(xiàn)依賴Unity3D中提供的AIP函數(shù)ScreenPointToRay()，在腳本中調(diào)用該函數(shù)完成三維拾取功能。

3.3 Unity3D與SQLite數(shù)據(jù)庫通信

Unity3D環(huán)境支持的3種編程語言分別是C#、Javascript、Boo。本文開發(fā)的無人機仿真與考核系統(tǒng)所使用的開發(fā)語言為C#，在每個預(yù)置體被加載時系統(tǒng)會調(diào)用預(yù)置體腳本中的Awak()方法，在該方法中調(diào)用封裝的SQLite連接類SqliteDbHelper，該連接類負責(zé)對SQLite數(shù)據(jù)庫的支持，包括了數(shù)據(jù)庫連接、數(shù)據(jù)庫查詢、數(shù)據(jù)庫插入、數(shù)據(jù)庫刪除、數(shù)據(jù)庫修改。代碼中數(shù)據(jù)庫所有交互工作都通過該類完成。

4 系統(tǒng)運行結(jié)果與分析

系統(tǒng)運行包括設(shè)備學(xué)習(xí)、仿真訓(xùn)練和模擬考核3個模塊，效果如圖4所示。

設(shè)備學(xué)習(xí)功能模塊，包括單個設(shè)備的三維模型展示，支持縮放旋轉(zhuǎn)交互瀏覽功能；設(shè)備某關(guān)鍵部件點擊彈出提示文字功能；不同類型設(shè)備旋轉(zhuǎn)切換功能；設(shè)備功能、型號等相關(guān)文字資料的展示與切換功能。

仿真訓(xùn)練模塊，包括完整模型及場景集成；選擇設(shè)備后居中定位并高亮；通過相應(yīng)工具及操作方式對設(shè)備進行手動拆分及手動組裝。

考試界面包括試卷選擇、開始答題、查看分數(shù)等功能，所涉及的題型有選擇題、判斷題、簡答題、仿真操作題。

圖4 系統(tǒng)運行效果圖

系統(tǒng)設(shè)計完成后交付部隊使用，部隊反饋表示：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，仿真模型逼真度高，拆裝流程規(guī)范準確，系統(tǒng)可操作性強，滿足了無人機部隊崗位人才培養(yǎng)的急需，對提高操作人員的專業(yè)知識水平和崗位操作技能具有重要意義。

5 結(jié)束語

本文運用虛擬仿真技術(shù)，將unity3D引擎、3DsMax等三維建模技術(shù)與無人機裝備訓(xùn)練教學(xué)相結(jié)合，構(gòu)建出一個從機載設(shè)備、各分系統(tǒng)到整機的無人機可視化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了無人機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的展示和一些關(guān)鍵設(shè)備的模擬拆裝與維護，便于參訓(xùn)人員熟練掌握裝備的結(jié)構(gòu)組成、各種設(shè)備的原理性能、拆裝流程及注意事項等內(nèi)容，可有效提高學(xué)習(xí)訓(xùn)練效率，提高受訓(xùn)人員的專業(yè)素質(zhì)，同時也降低了訓(xùn)練成本，減少了裝備損耗。

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