黃 政，高霄鵬，歐勇鵬，襲 鵬

（海軍工程大學(xué)艦船與海洋學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

為了適應(yīng)無人裝備的發(fā)展，培養(yǎng)海上無人裝備應(yīng)用人才，亟須開展無人裝備相關(guān)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)在海上無人裝備操控演練方面面臨沒有實(shí)戰(zhàn)裝備作為教學(xué)案例、沒有裝備模型提供實(shí)驗(yàn)條件的困境，教研團(tuán)隊(duì)要制定人才培養(yǎng)方案和課程計(jì)劃，就要跟進(jìn)無人裝備科學(xué)研究，同時(shí)建設(shè)可供實(shí)驗(yàn)操作的半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室，支撐無人裝備工程專業(yè)實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)［1-2］。

相對(duì)于實(shí)艇平臺(tái)，半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)能夠模擬深水反潛、故障、高海情等實(shí)物平臺(tái)難以開展試驗(yàn)的工況。相較于全虛擬平臺(tái)，半實(shí)物模擬器將三維搖擺臺(tái)作為操縱單元，充分考核和模擬無人裝備在真實(shí)狀態(tài)下的作業(yè)流程以及可靠性，運(yùn)動(dòng)仿真精度更高，更貼合實(shí)際。

1 無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室概述

目前世界上有十幾個(gè)國(guó)家正在加緊發(fā)展無人潛航器，用以在未來戰(zhàn)場(chǎng)上執(zhí)行偵察、監(jiān)視、探雷、掃雷和攻擊等多種作戰(zhàn)任務(wù)，以取得21 世紀(jì)海戰(zhàn)的優(yōu)勢(shì)［3］。國(guó)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(guó)通過973、863、預(yù)先研究項(xiàng)目以及民用型號(hào)研制等渠道開始推進(jìn)水面無人艇技術(shù)發(fā)展［4］，已從最初的概念設(shè)計(jì)階段逐漸過渡到實(shí)際運(yùn)用階段。國(guó)內(nèi)許多大學(xué)已經(jīng)成立無人裝備相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)，如上海大學(xué)成立的無人艇工程研究院，大連海事大學(xué)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(guó)海軍尚無定型的水面無人艇裝備，全國(guó)高校也均無與水上無人裝備直接相關(guān)的學(xué)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(xué)科專業(yè)，為保障無人裝備工程專業(yè)的學(xué)科建設(shè)，形成充足的師資力量，亟須研究配套的實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)，建設(shè)無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室，以此作為理論授課和實(shí)裝訓(xùn)練的模擬橋梁，為新型作戰(zhàn)力量培養(yǎng)應(yīng)用人才。

無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)主要從硬件、軟件以及課程等方面進(jìn)行規(guī)劃。軟件方面對(duì)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(jìn)行操控設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)無人裝備的操控和反饋，一般配套大型計(jì)算服務(wù)器、位置及動(dòng)力感應(yīng)器、操縱桿、操縱面板、信息交互基站等設(shè)備。硬件方面通過搖擺臺(tái)模擬無人裝備的操控運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)觀測(cè)應(yīng)用環(huán)境中的無人裝備運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，通過力矩負(fù)載模擬器模擬無人裝備在應(yīng)用中的受力情況，實(shí)時(shí)反饋給無人裝備的運(yùn)動(dòng)和操控系統(tǒng)，給學(xué)生提供系統(tǒng)性的無人操控指揮模塊，同時(shí)配備半實(shí)物操控系統(tǒng)的操控端、監(jiān)控端和實(shí)時(shí)顯示端，為學(xué)生的協(xié)同合作提供硬件基礎(chǔ)。課程將按照跟研跟訓(xùn)的思路，以首次任職課程教學(xué)為起點(diǎn)，發(fā)展成融合本科教育、任職培訓(xùn)和無人裝備研發(fā)等相關(guān)服務(wù)功能為一體的平臺(tái)，建成海上無人裝備教學(xué)、培訓(xùn)和科研的重要平臺(tái)。

2 無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室建設(shè)意義

（1）國(guó)內(nèi)軍用無人裝備研究的需要。雖然國(guó)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(guó)航天科工集團(tuán)公司成功開發(fā)了我國(guó)首艘無人駕駛海上氣象探測(cè)船“天象一號(hào)”，上海大學(xué)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(wù)［7］，但是尚無軍用無人裝備的應(yīng)用，更缺少相應(yīng)的指揮人才，這對(duì)我國(guó)在未來海戰(zhàn)上取得優(yōu)勢(shì)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(yīng)配套的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)也亟須跟上。

（2）無人裝備學(xué)科建設(shè)的需要［8］。為了彌補(bǔ)海軍無人裝備研究的空白，近年來，海軍工程大學(xué)開設(shè)了無人裝備新專業(yè)，而搭建無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是海上無人實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練教學(xué)條件建設(shè)的重要組成，將為新專業(yè)提供實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練平臺(tái)。該平臺(tái)可支撐無人裝備協(xié)同配合、無人裝備特種工況應(yīng)用性能實(shí)驗(yàn)等，可便于學(xué)生快速掌握無人裝備操控的原理與方法，培養(yǎng)學(xué)生的單機(jī)操控指揮應(yīng)用和多機(jī)協(xié)同配合素養(yǎng)，對(duì)無人裝備工程的學(xué)科建設(shè)具有重要意義。

（3）無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)教學(xué)或人才培養(yǎng)的需要。現(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(shí)亟須配套模擬訓(xùn)練設(shè)備，以供使用人員模擬訓(xùn)練。海軍工程大學(xué)教研團(tuán)隊(duì)已赴海軍裝備部、海軍指揮學(xué)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(shè)計(jì)生產(chǎn)、基層需求部門多家單位進(jìn)行了充分調(diào)研，各單位均對(duì)無人裝備有較為充分的論證。在對(duì)各單位的實(shí)地考察調(diào)研后，發(fā)現(xiàn)這些單位雖然擁有較為先進(jìn)的無人裝備模型和訓(xùn)練模擬器，但仍需開展更為深入的無人裝備半實(shí)物操控訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)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(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)施

在教研團(tuán)隊(duì)多年承擔(dān)艦船總體性能教學(xué)科研的基礎(chǔ)上，基于動(dòng)力定位技術(shù)、多航態(tài)平臺(tái)、自航模強(qiáng)機(jī)動(dòng)控制等自航船模設(shè)計(jì)、控制、研究的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過充分論證，形成了以下建設(shè)方案。

3.1 無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室總體方案

無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)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(xùn)等的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所，半實(shí)物硬件包括聲吶信號(hào)模擬器、搖擺臺(tái)、力矩負(fù)載模擬器、操控主機(jī)、監(jiān)控主機(jī)、實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)、大型計(jì)算服務(wù)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(shè)計(jì)、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(shí)戰(zhàn)化教學(xué)，年承訓(xùn)量可達(dá)50 人次。建成后可支撐虛擬海洋環(huán)境中的單機(jī)操控實(shí)驗(yàn)、針對(duì)探測(cè)信號(hào)的虛擬武器控制實(shí)驗(yàn)等。

圖1 實(shí)驗(yàn)室平面布局圖（mm）

3.2 無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室軟件建設(shè)

半實(shí)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(tái)通過岸基指控軟件對(duì)半實(shí)物仿真模塊進(jìn)行操控，操作指令途經(jīng)控制決策主機(jī)并通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)總線發(fā)送到半實(shí)物仿真主機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算［10-11］，計(jì)算結(jié)果反饋到半實(shí)物運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，岸基監(jiān)控屏可實(shí)時(shí)更新顯示。該軟件可實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)、基本操作、科目訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)用及導(dǎo)調(diào)管理5個(gè)方面的功能。如圖2 所示。

圖2 軟件組成框圖

其中理論學(xué)習(xí)包括對(duì)無人艇系統(tǒng)、模型、操縱性及控制指令的學(xué)習(xí)?；静僮靼瑹o人艇的操舵、航速控制、信息交互及岸基遙操。科目訓(xùn)練包括目標(biāo)感知、無人艇循跡、避碰、布放回收、靠泊離港及目標(biāo)跟蹤訓(xùn)練，可實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下訓(xùn)練無人艇的各項(xiàng)性能。應(yīng)用任務(wù)包含掃海任務(wù)訓(xùn)練、伏擊模擬、反水雷模擬、深水反潛模擬等。導(dǎo)調(diào)管理包括任務(wù)管理、參數(shù)配置、任務(wù)下發(fā)和狀態(tài)監(jiān)控，可通過軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)無人艇的調(diào)度及監(jiān)控［12］。通過對(duì)半實(shí)物操控系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)和信息同步技術(shù)的研究，將系統(tǒng)與探測(cè)打擊對(duì)象對(duì)接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)操縱對(duì)象及目標(biāo)的任務(wù)設(shè)計(jì)，結(jié)合信息交互基站實(shí)現(xiàn)聯(lián)合指揮控制，完成深水反潛模擬等應(yīng)用任務(wù)。同時(shí)設(shè)計(jì)多套特種應(yīng)用環(huán)境系統(tǒng)，對(duì)半實(shí)物操控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和訓(xùn)練能效評(píng)估。

3.3 無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室硬件建設(shè)

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(jī)、監(jiān)控主機(jī)、控制機(jī)柜等。水下部分主要包括決策主機(jī)、實(shí)時(shí)目標(biāo)主機(jī)、六自由度搖擺平臺(tái)、聲吶信號(hào)模擬器等，如圖3 所示。

圖3 硬件實(shí)物圖

聲吶信號(hào)模擬器主要任務(wù)是產(chǎn)生發(fā)射機(jī)所需的激勵(lì)信號(hào)、探測(cè)物回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)對(duì)象的半實(shí)物操控，需與兼容機(jī)配套開發(fā)，多目標(biāo)模擬時(shí)設(shè)置2 臺(tái)。

搖擺臺(tái)及控制柜主要負(fù)責(zé)模擬無人裝備的操控運(yùn)動(dòng)，實(shí)時(shí)觀測(cè)應(yīng)用環(huán)境中的無人裝備運(yùn)動(dòng)姿態(tài)［13］?？砂凑战o定的角速率或角位置實(shí)現(xiàn)單軸、雙軸或三軸聯(lián)動(dòng)的全姿態(tài)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水上無人平臺(tái)整體的六自由度運(yùn)動(dòng)操控，協(xié)同配合時(shí)設(shè)置2 臺(tái)。

力矩負(fù)載模擬器及控制機(jī)柜主要用于模擬無人裝備在應(yīng)用中的受力情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)水上無人平臺(tái)操控機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的操控，包括扭桿式力矩負(fù)載模擬器及機(jī)電式力矩負(fù)載模擬器，協(xié)同配合時(shí)設(shè)置2 臺(tái)，實(shí)時(shí)反饋給無人裝備的運(yùn)動(dòng)和操控系統(tǒng)，給學(xué)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(shí)設(shè)置2 臺(tái)。實(shí)時(shí)顯示端用于模擬被控對(duì)象的模型、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與數(shù)據(jù)反饋，協(xié)同配合時(shí)設(shè)置4 臺(tái)。

3.4 無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室課程建設(shè)

無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室將為海上無人裝備運(yùn)用綜合演練等專業(yè)核心課程提供重要的教學(xué)實(shí)訓(xùn)條件，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合已有無人船艇模型的科研項(xiàng)目和艦船總體課程標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行無人裝備訓(xùn)練教學(xué)課程的完善，主要包括：理論學(xué)習(xí)、模擬訓(xùn)練、技術(shù)論證等。

理論學(xué)習(xí)方面組織學(xué)生對(duì)無人艇各方面的理論知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，包括系統(tǒng)組成、操縱指令、航行控制等方面的知識(shí)，使學(xué)生熟悉無人艇的特點(diǎn)，積累相關(guān)的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

模擬訓(xùn)練方面通過半實(shí)物仿真操控系統(tǒng)平臺(tái)，可按照實(shí)際航行要求，設(shè)置不同的海上環(huán)境條件，進(jìn)行全面系統(tǒng)化的模擬訓(xùn)練。模擬訓(xùn)練可以讓學(xué)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(shí)踐來提升實(shí)際操縱能力、應(yīng)變能力以及快速?zèng)Q策能力。

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

4 無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成效

無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室服務(wù)于包括“無人裝備工程”專業(yè)本科學(xué)生、任職培訓(xùn)學(xué)生以及從事相關(guān)研究的教學(xué)科研人員，同時(shí)服務(wù)于有海上無人裝備使用需求的一線部隊(duì)、研究所和工廠。實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)、研究和使用達(dá)到以下成效。

4.1 提升了學(xué)生的協(xié)同配合能力

通過實(shí)驗(yàn)室講解單機(jī)應(yīng)用任務(wù)和應(yīng)用流程，學(xué)生分組演練多種應(yīng)用任務(wù)，實(shí)現(xiàn)主副指揮員的指揮和監(jiān)控訓(xùn)練。通過老師指定任務(wù)與學(xué)生相互探討，不斷提升學(xué)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(chǎng)態(tài)勢(shì)圖中實(shí)現(xiàn)配合，從而提升了學(xué)生間協(xié)同配合的能力。

4.2 提升了學(xué)生的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力

通過實(shí)驗(yàn)室模擬戰(zhàn)場(chǎng)上的各類戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，訓(xùn)練學(xué)生操控實(shí)驗(yàn)室硬件下達(dá)相應(yīng)的任務(wù)，在經(jīng)過模擬效果的反饋后，評(píng)估操作的合理性，給出相應(yīng)的建議，同時(shí)通過講解單個(gè)無人裝備操作流程和動(dòng)作目標(biāo)，學(xué)生操練無人裝備單機(jī)動(dòng)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(xué)生的技術(shù)協(xié)調(diào)能力和實(shí)況適應(yīng)能力。

4.3 提升了學(xué)生的實(shí)況操作能力

日常訓(xùn)練中，對(duì)水面水下遙控及反饋、深水反潛模擬等應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行模擬，可以讓學(xué)生了解職業(yè)崗位的基本定位。通過講解無人裝備半實(shí)物操控課程內(nèi)容、目的和要求，介紹無人裝備半實(shí)物操控系統(tǒng)組成和操練規(guī)則，讓學(xué)生動(dòng)手熟悉操控系統(tǒng)組成部件、操縱桿、操縱面板等基礎(chǔ)動(dòng)作，并通過實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)操控與反饋系統(tǒng)、海洋環(huán)境的虛擬系統(tǒng)以及人機(jī)交互式操作方式，便于學(xué)生快速掌握無人裝備操控的原理與方法，讓學(xué)生對(duì)本崗位目標(biāo)有了更加清晰認(rèn)識(shí)，對(duì)實(shí)際操作能力有了進(jìn)一步提升。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目依托實(shí)驗(yàn)室條件建設(shè)項(xiàng)目和教育科研項(xiàng)目開展無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的研究，屬首創(chuàng)型條件建設(shè)論證類型項(xiàng)目。在搭建半實(shí)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(shè)，充實(shí)了綜合素質(zhì)培養(yǎng)任務(wù)。

無人裝備半實(shí)物操控實(shí)驗(yàn)室的建立優(yōu)化整合了現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室硬件資源，進(jìn)一步完善和提升了實(shí)訓(xùn)教學(xué)的模式。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生從理論知識(shí)的學(xué)習(xí)到實(shí)際器械的操作以及最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)無人裝備的專業(yè)知識(shí)、應(yīng)用任務(wù)、協(xié)同配合等全面而系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考和分析解決問題的能力。教學(xué)中真正做到以學(xué)生為主體，在半實(shí)物的實(shí)訓(xùn)過程中，充分激發(fā)其學(xué)習(xí)潛能，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力［15］。該實(shí)驗(yàn)室還可以為無人裝備需求部隊(duì)、研究院及工廠等單位提供實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地，有著較強(qiáng)的普遍適用性。