CN104111861A - 一种无人机模拟训练系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机模拟训练系统及其控制方法，涉及模拟训练技术领域，包括人机交互单元、训练单元、行为交互单元、虚拟仿真模型单元、训练考核数据单元和多媒体资源单元；人机交互单元提供虚拟无人机三维仿真模型可视化窗口；训练单元提供系统操作使用手册，呈现引导单元、探索单元和考核单元；行为交互单元将人机交互单元指令转化为对虚拟无人机三维仿真模型的控制指令，驱动相应虚拟仿真模型单元动作；虚拟仿真模型单元提供虚拟无人机三维仿真模型的外观和功能状态；训练考核数据单元记录考核时操作行为，判断操作正确性，显示存储考核结果；多媒体资源单元提供装备的多媒体资源。本发明交互性强、自主学习性强、方便训练任务的展开。

Description

一种无人机模拟训练系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及模拟训练技术领域。

背景技术

在目前的无人机装备训练中，主要采用实装和模拟器、多媒体训练系统以及文本和挂图三种方式进行训练：实装和模拟器训练，是直接利用真实装备和模拟器开展训练；多媒体训练，是依赖于制作的装备动画和拍摄的训练视频进行讲解；而文本和挂图训练，则通过阅读维修训练资料和平面纸制图的方式开展训练。

通常说来，结合实际装备和模拟器进行训练效果较好，但受配装数量、场地、时间、复杂度、安全性以及天气等各环境因素的限制，训练效率较低，而且保养、维护、更新实装和模拟器的费用昂贵，难以满足训练需求；现有的多媒体训练虽然将视频、文字、动画以及三维模型组合在了一起，是动态的，但对于无人机这类复杂装备，这种训练手段的效果十分有限，并且交互性和自主性差，不能完全像操作真实装备一样按受训者的意图进行训练；而挂图和文本训练是装备训练的传统手段，是静态的、二维的，缺乏生动性，学习效率也不高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种沉浸感好、交互性强、自主学习性强、创新性高、功能丰富、集成度高、易于扩展、方便训练展开、实用性好且训练效果显著的无人机模拟训练系统，使受训者很快熟悉无人机的基本原理、结构和功能，掌握无人机的操作使用；用于在实装难以满足训练需求的场合，代替实装开展对无人机的装备训练。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种无人机模拟训练系统，包括人机交互单元、训练单元、行为交互单元、虚拟仿真模型单元、训练考核数据单元和多媒体资源单元；

所述人机交互单元包括输入模块和显示模块，用于通过输入模块接收受训者的操作意图，并将其转换为计算机控制语言，然后根据上述控制语言通过显示器向受训者呈现训练单元的用户操作界面和与虚拟无人机三维仿真模型交互操作的可视化窗口，在操作过程中实时显示虚拟无人机三维仿真模型的方位和功能状态，向受训者呈现调取的多媒体资源，并显示操作提示、考核任务和结果信息；

所述训练单元用于通过人机交互单元验证受训者，并向经验证的受训者提供介绍该无人机模拟训练系统使用方法的系统操作使用手册，并通过显示模块进行显示，当受训者确定掌握使用方法后向受训者呈现引导单元、探索单元和考核单元； 

所述行为交互单元通过通用接口与训练单元相连接，用于获取人机交互单元传递过来的受训者的操作指令，并转化为对虚拟无人机三维仿真模型的控制指令，以此驱动相应的虚拟仿真模型单元动作；

所述虚拟仿真模型单元接收行为交互单元的控制指令，并提供根据控制指令做出相应动作的虚拟无人机三维仿真模型；

所述训练考核数据单元，用于通过行为交互单元获取受训者在考核时的操作行为，记录操作行为结果信息，并在考核结束时对考核任务的完成情况进行整体评分，生成考核结果信息，并向受训者呈现考核结果信息，以及考核结束后对考核结果进行存储；

所述多媒体资源单元接收来自于训练单元传送的命令，用于向该系统的可视化窗口提供调用的多媒体资源，所述多媒体资源为文本、图片、动画和视频，用于显示训练内容。

进一步的技术方案，所述虚拟仿真模型单元包括三维模型数据单元、功能状态仿真单元和关联关系单元，所述三维模型数据单元提供无人机的三维外观模型，描述无人机的外在特征，所述外在特征包括无人机的几何结构、固有属性和特征现象，所述固有属性包括纹理、材质，所述特征现象包括光照；这些物理特征的设计能够给人以真实的感官感受；所述功能状态仿真单元用于描述无人机子部件的功能状态；所述关联关系单元用于描述无人机内部子系统之间的联系，根据受训者操作判断哪些无人机子部件的功能状态需要进行模拟，以及要模拟子部件的功能状态单元之间输入输出的相互联系；这三个单元构成的虚拟无人机三维仿真模型向受训者呈现不同外观和功能状态的虚拟样机，并能够按照物理规律和运动规则移动，体现其在几何方位上的运动变化。

进一步的技术方案，所述引导单元通过训练引导窗口调用多媒体资源引导受训者了解无人机装备的原理、构造、功能、操作使用和维护保养方面的知识；受训者通过选择系统框架内相应的条目，进入到对应的知识点进行学习，即观看调用出来的文本、图片、三维动画或视频资源；所述探索单元以呈现在可视化窗口的可交互虚拟无人机三维仿真模型为引导，使受训者主动探索无人机的内外结构、练习无人机的规范操作使用，以及在引导单元学习的基础上进一步熟悉无人机的基本装备知识；所述考核单元提供考核的虚拟装备环境，记录受训者的操作行为，用于检验受训者学习效果。受训者可根据自身的情况和学习目的任选三种训练子单元的一种进行学习。但是通常对于新手而言，推荐按着引导单元、探索单元和考核单元的顺序循序渐进地进行。

进一步的技术方案，所述探索单元包括认知训练模块和操作训练模块，所述认知训练模块用于使受训者认识无人机装备的内外结构和相应设备、并向受训者提供选中的无人机设备的名称，按需调取和显示选中子设备的多媒体资源；所述操作训练模块用于使受训者在虚拟的无人机装备中练习无人机的规范操作使用，完成各项具体的操作任务，并根据受训者的操作请求类型向受训者提供体现规范操作的提示信息，或调取和显示体现规范操作的多媒体资源；所述考核单元包括认知考核模块和操作考核模块，所述认知考核模块用于向受训者提供无人机原理、功能、结构和组成方面的考核任务，受训者根据考核任务在虚拟装备环境中和题板以及虚拟装备对象交互进行答题操作，考核结束时对任务总体完成情况进行评分；所述操作考核模块用于向受训者提供无人机操作的考核任务，受训者根据考核任务在虚拟装备环境中对装备对象进行相应操作，考核结束时对任务完成的总体情况进行评分。

本发明还公开了一种无人机模拟训练系统的控制方法，所述方法包括如下步骤：

（a）对受训者进行身份验证，如果验证成功则进入步骤（b），如果不成功则不能进入系统；

（b）受训者学习系统操作使用手册；

（c）受训者确定掌握系统操作使用手册后根据自身训练情况选择训练单元，进入训练模式；

如果选择引导单元，受训者选择学习条目及子条目，训练单元根据选择条目及子条目调用多媒体资源单元中对应的文本、图片、动画和视频，提供给受训者学习；

如果受训者选择探索单元，进而先选择认知训练模式或操作训练模式，再进入子窗口选择具体的训练任务，进入可视化的虚拟交互窗口，然后受训者通过人机交互单元实施操作，由行为交互单元捕获操作和转化为对虚拟仿真模型单元的操作命令，虚拟仿真模型单元根据上述操作命令确定相关联的子部件，驱动其进行功能状态仿真，并生成相应的虚拟无人机三维仿真模型，同时根据受训者操作指令调取相关多媒体训练资源，显示训练提示语句，将其呈现在受训者面前；

如果受训者选择考核单元，进而先选择认知考核模式或操作考核模式，再在其子窗口下选择具体的考核任务，进入可视化的虚拟交互窗口，受训者通过人机交互单元对二维的试题面板和三维的仿真模型实施操作，其操作经由计算机解析，其事件被行为交互单元获取、判断、记录和处理，在考核结束时形成考核结果信息，并通过行为交互单元将考核结果信息输出显示给受训者，以及对考核结果进行存储。

进一步的技术方案，所述探索单元具体控制方法是，受训者通过人机交互单元向训练单元发起操作指令，请求进行自主探索式训练，当受训者选择认知训练模式或操作训练模式及其具体训练子任务后，进入对应交互式模拟训练环境，受训者通过人机交互单元产生的操作指令经由行为交互单元转化为对虚拟仿真模型单元和多媒体资源单元的操作；如果是认知训练模式，则受训者的连续操作通过行为交互单元获取和解析驱动虚拟无人机三维仿真模型动作，使其转至合适方位，呈现所需装备外观；如果是操作训练模式，则受训者的操作通过行为交互单元获取和解析驱动关联关系单元和功能状态单元进行仿真，仿真完毕生成相应的虚拟无人机三维仿真模型，呈现具备上述功能状态的装备外观；当受训者发起对虚拟无人机三维仿真模型的操作后，首先是机理模型响应操作，然后是外观模型响应机理模型的结果，呈现虚拟无人机三维仿真模型外观，如果受训者操作不涉及系统的功能状态，则直接由外观模型响应操作；如果受训者发起对多媒体资源的访问操作，则行为交互单元调取和呈现相应的训练资源；如果受训者请求操作提示，则行为交互单元根据操作请求类型显示相应的提示信息。

进一步的技术方案，所述考核单元具体控制方法是，受训者通过人机交互单元从训练单元选择考核训练模式，进入考核方式选择界面，受训者选择认知考核模式或操作考核模式，如果选择认知考核模式，则进入认知考核题板选择界面，在此选择一认知考核题板，进入对应的题板界面，选择题板内的具体子任务，进入与子任务对应的交互式考核训练环境，受训者通过对虚拟的无人机对象实施简单的拖拽、拆卸和选择交互操作进行答题，行为交互单元实时获取受训者操作行为、并将其与正确选项比较，对选择结果进行记录，在考核结束时对所选考核题板内任务总体完成情况进行评分，和向受训者显示考核结果信息，如考核所用时间、分值和出错信息，以及对考核结果进行存储；如果是操作考核模式，则根据受训者选择进入操作考核题板选择界面，选择一操作考核题板，进入对应的操作考核题板界面，选择具体子任务后，进入与所选子任务对应的交互式操作考核模式训练环境，受训者通过对虚拟的装备对象实施与实装操作一致的交互操作进行考核，行为交互单元实时获取受训者操作行为、将其与规范装备操作比较以判断操作正确性、并记录操作行为，在考核结束时对所选考核题板内任务的总体完成情况进行评分，并向受训者显示考核的结果信息，如考核所用时间、分值和错误操作信息，以及对考核结果进行存储。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：通过虚拟无人机三维仿真模型训练，能使受训者很快熟悉无人机的基本原理、结构和功能，掌握无人机的操作使用。本发明将三维建模技术、虚拟现实技术、计算机软件技术以及多媒体技术与某型号无人机装备训练融合，实现了利用虚拟的无人机代替实物装备，开展对无人机装备的训练，缓解了装备数量少、装备内部空间狭窄、承训人数受限、实装易于损害且不安全等训练难题；同时在外形、操作使用和状态反应上与真实装备一致，因此沉浸感好；集合了实装和模拟器训练、多媒体训练手段的优点，因此集成度高；代替实装开展装备训练方便、可提高装备训练的效率及效果，即实用性好、训练效果显著；在与虚拟无人机装备交互时的训练方式方面，符合人的直观思维模式，实现操作即得所见，所见又反过来又提供给受训者指导其调整操作，因此交互性强；以虚拟装备三维模型为图形引导框架的系统管理模式，直观且使用方便；以及以引导单元、探索单元和考核单元三单元循序渐进的无人机装备训练模式，使本发明创新性高，其中，引导单元重知识基础，探索单元重应用，培养学员自主学习能力，考核单元是在探索单元基础上进一步强化装备技能的培养；另外，本发明的无人机模拟训练系统体系结构、建立的高交互性虚拟样机模型与训练方法具有通用性和扩展性，可直接应用于通用中小型无人机的虚拟维修训练，同时也为以后大型虚拟维修训练系统的开发提供技术支持。

附图说明

图1是本发明系统框图；

图2是本发明主流程图；

图3是本发明引导单元流程图；

图4是本发明探索单元流程图；

图5是本发明考核单元流程图；

图6是本发明虚拟样机机理模型结构图；

图7是本发明消息交互机制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1： 

如图1所示，一种无人机模拟训练系统，包括人机交互单元、训练单元、行为交互单元、虚拟仿真模型单元、训练考核数据单元和多媒体资源单元；

所述人机交互单元包括输入模块和显示模块，用于通过输入模块接收受训者的操作意图，并将其转换为计算机控制语言，然后根据上述控制语言通过显示器向受训者呈现训练单元的用户操作界面和与虚拟无人机三维仿真模型交互操作的可视化窗口，在操作过程中实时显示虚拟无人机三维仿真模型的方位和功能状态，向受训者呈现调取的多媒体资源，并显示操作提示、考核任务和结果信息；

所述训练单元用于通过人机交互单元验证受训者，并向经验证的受训者提供介绍该无人机模拟训练系统使用方法的系统操作使用手册，并通过显示模块进行显示，当受训者确定掌握使用方法后向受训者呈现引导单元、探索单元和考核单元；所述系统操作使用手册介绍与该无人机模拟训练系统操作使用方法相关的文本文件；

所述行为交互单元通过通用接口与训练单元相连接，用于获取人机交互单元传递过来的受训者的操作指令，并转化为对虚拟无人机三维仿真模型的控制指令，以此驱动相应的虚拟仿真模型单元动作；

所述虚拟仿真模型单元接收行为交互单元的控制指令，并提供根据控制指令做出相应动作的虚拟无人机三维仿真模型；

所述训练考核数据单元，用于根据行为交互单元获取受训者在考核时的操作行为，记录操作行为结果信息，在考核结束时对考核任务的完成情况进行整体评分，生成考核结果信息，并向受训者呈现考核结果信息，以及考核结束后对考核结果进行存储；

所述多媒体资源单元接收来自于训练单元传送的命令，用于向该系统的可视化窗口提供调用的多媒体资源，所述多媒体资源为文本、图片、动画和视频，用于显示训练内容。

所述虚拟仿真模型单元包括三维模型数据单元、功能状态仿真单元和关联关系单元，所述三维模型数据单元提供无人机的三维外观模型，描述无人机的外在特征，所述外在特征包括无人机的几何结构、固有属性和特征现象，所述固有属性包括纹理、材质，所述特征现象包括光照；这些物理特征的设计能够给人以真实的感官感受；所述功能状态仿真单元用于描述无人机子部件的功能状态；所述关联关系单元用于描述无人机内部子系统之间的联系，根据受训者操作判断哪些无人机子部件的功能状态需要进行模拟，以及要模拟子部件的功能状态单元之间输入输出的相互联系；这三个单元构成的虚拟无人机三维仿真模型向受训者呈现不同外观和功能状态的虚拟样机，并能够按照物理规律和运动规则移动，体现其在几何方位上的运动变化。能够模拟无人机的外观和正常工作时的功能状态，即动态模拟无人机组成单元正常的运动或功能状态，体现无人机的工作原理，依据实装的训练操作和设备反应设置样机单元之间状态的转移，描述不同样机单元之间的状态关系，依据真实设备在工作时的具体功能建立功能状态模拟单元，模拟设备的真实功能，实现对虚拟样机动态工作过程的控制；能够做出与实装一致的操作响应，达到模拟真实训练的效果。

所述训练单元包括引导单元、探索单元和考核单元；所述引导单元通过训练引导窗口调用多媒体资源引导受训者了解无人机装备的原理、构造、功能、操作使用和维护保养方面的知识；受训者通过选择系统框架内相应的条目，进入到对应的知识点进行学习，即观看调用出来的文本、图片、三维动画或视频资源；所述探索单元以呈现在可视化窗口的可交互虚拟无人机三维仿真模型为引导，使受训者主动探索无人机的内外结构、练习无人机的规范操作使用，以及在引导单元学习的基础上进一步熟悉无人机的基本装备知识；所述考核单元记录受训者的操作行为，用于检验受训者学习效果。受训者可根据自身的情况和学习目的任选三种训练子单元的一种进行学习。但是通常对于新手而言，推荐按着引导单元、探索单元和考核单元的顺序循序渐进地进行。可以大大提高训练效果。

所述探索单元包括认知训练模块和操作训练模块，所述认知训练模块用于使受训者认识无人机装备的内外结构和相应设备、并根据受训者的操作请求命令向受训者显示设备名称、调取和查看选中设备的多媒体资源；所述操作训练模块用于使受训者在虚拟的无人机装备中练习无人机的规范操作使用，完成各项具体的操作任务，并根据受训者的操作请求类型向受训者提供体现规范操作的提示信息，或调取和显示体现规范操作的多媒体资源；所述考核单元包括认知考核模块和操作考核模块，所述认知考核模块用于向受训者提供无人机原理、功能、结构和组成方面的考核任务，受训者根据考核任务在虚拟装备环境中和题板以及虚拟装备对象交互进行答题操作，最终对任务总体完成情况进行评分；所述操作考核模块用于向受训者提供无人机操作的考核任务，受训者根据考核任务在虚拟装备环境中进行任务的相应操作，考核结束时对任务完成的总体情况进行评分。

如图2所示，一种无人机模拟训练系统的控制方法，所述方法包括如下步骤：

（a）对受训者进行身份验证，如果验证成功则进入步骤（b），如果不成功则不能进入系统；

（b）受训者学习系统操作使用手册；

（c）受训者确定掌握系统操作使用手册后根据自身训练情况选择训练模块，进入训练模式；

如图3所示，如果选择引导单元，受训者选择学习条目及子条目，训练单元根据选择条目及子条目调用多媒体资源单元中对应的文本、图片、动画和视频，提供给受训者学习。

如图4所示，如果受训者选择探索单元，进而先选择认知训练模式或操作训练模式，再进入子窗口选择具体的训练任务，进入可视化的虚拟交互窗口，然后受训者通过人机交互单元实施操作，由行为交互单元捕获操作和转化为对虚拟仿真模型单元的操作命令，虚拟仿真模型单元根据上述操作命令确定相关联的子部件，驱动其进行功能状态仿真，并生成相应的虚拟无人机三维仿真模型，同时根据受训者操作指令调取相关多媒体训练资源，显示训练提示语句，将其呈现在受训者面前。

如图5所示，如果受训者选择考核单元，进而先选择认知考核模式或操作考核模式，再在其子窗口下选择具体的考核任务，进入可视化的虚拟交互窗口，受训者通过人机交互单元对二维的试题面板和三维的仿真模型实施操作，其操作经由计算机解析，其事件被行为交互单元获取、判断、记录和处理，在考核结束时形成考核结果信息，并通过行为交互单元将考核结果信息输出显示给受训者，以及对考核结果进行存储。

所述探索单元具体控制方法是，受训者通过人机交互单元向训练单元发起操作指令，请求进行自主探索式训练，当受训者选择认知训练模式或操作训练模式及其具体训练子任务后，进入对应交互式模拟训练环境，受训者通过人机交互单元产生的操作指令经由行为交互单元转化为对虚拟仿真模型单元和多媒体资源单元的操作；如果是认知训练模式，则受训者的连续操作通过行为交互单元获取和解析驱动虚拟无人机三维仿真模型动作，使其转至合适方位，呈现所需装备外观；如果是操作训练模式，则受训者的操作通过行为交互单元获取和解析驱动关联关系单元和功能状态单元进行仿真，仿真完毕生成相应的虚拟无人机三维仿真模型，呈现具备上述功能状态的装备外观；当受训者发起对虚拟无人机三维仿真模型的操作后，首先是机理模型响应操作，然后是外观模型响应机理模型的结果，呈现虚拟无人机三维仿真模型外观，如果受训者操作不涉及系统的功能状态，则直接由外观模型响应操作；如果受训者发起对多媒体资源的访问操作，则行为交互单元调取和呈现相应的训练资源；如果受训者请求操作提示，则行为交互单元根据操作请求类型显示相应的提示信息。

所述考核单元具体控制方法是，受训者通过人机交互单元从训练单元选择考核训练模式，进入考核方式选择界面，受训者选择认知考核模式或操作考核模式，如果选择认知考核模式，则进入认知考核题板选择界面，在此选择一认知考核题板，进入对应的题板界面，选择题板内的具体子任务，进入与子任务对应的交互式考核训练环境，受训者通过对虚拟的无人机对象实施简单的拖拽、拆卸和选择交互操作进行答题，行为交互单元实时获取受训者操作行为、并将其与正确选项比较，对选择结果进行记录，在考核结束时对所选考核题板内任务总体完成情况进行评分，和向受训者显示考核结果信息，如考核所用时间、分值和出错信息，以及对考核结果进行存储；如果是操作考核模式，则根据受训者选择进入操作考核题板选择界面，选择一操作考核题板，进入对应的操作考核题板界面，选择具体子任务后，进入与所选子任务对应的交互式操作考核模式训练环境，受训者通过对虚拟的装备对象实施与实装操作一致的交互操作进行考核，行为交互单元实时获取受训者操作行为、将其与规范装备操作比较以判断操作正确性、并记录操作行为，在考核结束时对所选考核题板内任务的总体完成情况进行评分，并向受训者显示考核的结果信息，如考核所用时间、分值和错误操作信息，以及对考核结果进行存储。

虚拟无人机三维仿真模型的建立使用了以下方法：

（1）在进行虚拟样机建模时，采用分层-聚合混合建模的思想。采用分层-聚合混合建模的方法，在保证视觉不失真，尽量简化模型的原则下，根据实际装备的层次结构，对虚拟样机进行层次划分，低层次模型的抽象程度低，模型分辨率高，越高层次模型的抽象程度越高，模型分辨率越低；分层之后要做聚合，根据装备的层次结构建立不同层次模型之间的父子关系。

（2）建模时使用外观模型与机理模型的剥离。将虚拟样机分为外观模型和机理模型，外观模型是对无人机几何结构、固有属性、特征现象等方面的抽象，描述其静态特征；机理模型则是对无人机工作原理的抽象，描述其动态行为特征。其中机理模型又包括行为交互模型、功能状态模型和关联关系模型。

 利用3DS MAX和Virtoois软件工具对装备关键部件几何特征、活动特征、物理特征和二维图形模型进行建模，进而建立外观模型。

机理模型通过一组通用接口与外观模型发生作用，外观模型检测到受训人员操作动作后，通过虚拟无人机三维仿真模型动作和通用接口向机理模型发送消息，机理模型对接收到的消息进行处理，处理结果仍以消息的形式发送到外观模型，驱动外观模型执行相应的动作。

（3）在对机理模型建模时，采取分类建模的方法。机理模型是对与无人机外形无关的工作特性的抽象描述。如图6所示，将机理模型又具体分解为：功能状态模型、交互模型和关联关系模型。功能状态模型是核心，描述虚拟样机所处的功能状态，对虚拟样机的功能进行抽象和描述，基于拓展有限状态机理论进行功能状态建模，基于Stateflow软件工具完成对无人机动态工作过程的模拟；交互模型是虚拟样机对外界交互操作的反馈，定义交互的约束条件，基于消息机制实现受训人员与虚拟样机之间的交互，建立交互模型；关联关系模型描述不同样机单元之间的依赖关系，定义样机单元之间的输入输出关系，通过有向图描述样机单元之间的输入输出关系，建立关联关系模型。样机单元状态的改变会触发相应的输出和交互响应，而输出和交互响应也会改变状态；交互是样机单元对外界操作的反馈，由功能状态决定。

（4）采用基于扩展的有限状态机原理对功能状态建模

由于无人机装备功能结构复杂，在其正常运行过程中，子级单元的功能状态受父级单元功能状态的影响，并且常存在多个组成单元同时处于活动状态的情况。针对无人机这类复杂系统，用传统有限状态机理论难以建立无人机功能状态模型，因此，本发明对传统有限状态机进行扩展，基于扩展有限状态机建立无人机功能状态模型。本发明基于Statecharts理论，从状态层次化、并行机制引入、状态转移优先权定义和通讯广播机制引入四个方面对有限状态机理论进行扩展。

（5）在交互模型方面，实现带约束条件的交互和带关联的交互反馈。交互模型是外界对虚拟样机执行操作动作后，虚拟样机对外界动作反应能力的描述和抽象。交互条件主要包括外部约束、自身状态约束和工具设置约束。其中外部约束是指限制样机单元动作的其它样机单元的状态，比如在进行无人机飞控计算机组合拆卸时，必须保证电源处于关闭状态，否则交互操作无法进行；交互反馈包括动作反馈和状态改变两部分，交互反馈不仅针对被操作的样机单元自身，还包括与之存在关联关系的其它样机单元，符合真实设备的反应情况。

（6）采用分类消息机制实现对虚拟样机模型的交互控制。将消息分为操作消息和响应消息两类。操作消息指受训人员的操作事件，响应消息指虚拟样机的响应现象。受训人员的操作事件以操作消息的形式传入机理模型；机理模型对操作消息进行解算，得到响应现象，并以响应消息的形式发送到外观模型；外观模型在接收到响应消息后，进行解析，并驱动相应的样机单元产生响应动作。如图7所示。

（7）虚拟样机关联关系建模。关联关系模型用于描述虚拟样机各组成单元之间的输入输出关系。采用输入输出对描述同层次的样机单元之间的联系，将样机单元从输入到输出的关联关系进行表示，同时，为了使建模更加直观、简便，采用有向图表示输入输出间的关系。

（8）带交互功能的二维图形模型。本发明所设计的二维图形模型与普通二维图形不同，受训人员能够对二维图形模型进行交互操作，通过鼠标点击查看二维图形模型中蕴含的详细信息，因此，也将其称为二维图形虚拟样机。

本发明按无人机系统组成划分训练单元，分为无人机机体、主控站、数据链系统、机动站、单收站和发射车六部分。每一部分又按照引导单元、探索单元和考核单元的结构进行构建。由于各部分架构基本相同，在此以无人机主控站为示例介绍引导单元、探索单元和考核单元的操作界面。分别为：

引导单元训练的目的是让受训者对装备知识进行初步学习。引导单元的条目及子条目分别为：

(1)系统概述：系统功能、战技指标、使用要求；

(2)系统结构：①方舱外部结构（带语音讲解的文本、图片、动画）；

②方舱内部结构：飞行控制、任务控制、情报处理、有线通信柜、配电通信柜、配电箱；

(3)工作原理：系统总体工作原理、遥控指令传输原理、遥测信息传输原理、网络通信接线关系、配电箱接线关系、视频信号分配关系、任务控制工作原理（带语音讲解的文本、图片、动画）；

(4)操作使用：系统架设、系统加电、导航与飞行控制操作、任务设备控制操作、支持保障设备操作、系统撤收操作、数据回放操作；（带语音讲解的文本、图片、动画和视频）；

(5)技术检查：静态检查、动态检查；（带语音讲解的文本、图片、动画）；

(6)维护保养：清洁除尘、定期加电、加注润滑脂、封存期间的维护保养，（带语音讲解的文本、图片、动画）。

探索单元操作界面包括认知训练模式和操作训练模式，主要帮助受训者通过虚拟装备开展对无人机装备的自主探索，了解其结构组成，学习正确的装备操作，进一步强化前面引导单元的学习效果，分为：

（1）认知训练模式：进入认知训练模式后，受训者面对的是一无人机虚拟三维仿真模型，受训者能够在虚拟装备场景中自由走动，查看装备各部分的外观和结构，通过与真实场景一致的拖拽、拆卸操作探索装备的内部结构，如果遇到某个不认识的部件，只需将鼠标放置在虚拟无人机三维仿真模型上即能够显示其名称；如果想查看该部件的相关多媒体资源，触发相应按键即能够及时调出相应资源观看。

（2）操作训练模式：选择进入无人机操作训练模式后，提示有以下操作条目能够选择：系统架设、系统加电、导航与飞行控制操作、任务设备控制操作、系统撤收操作，其中各个条目下还有多个子条目。如导航与飞行控制操作下面就有：系统初始化操作、无人机航迹规划、发射前设置、飞行姿态控制操作、发动机控制操作、数据链管理操作、导航控制操作、回收操作八项内容。

在此以“通过飞行控制柜控制发动机工作在N转”的操作任务为例阐述操作训练模式的方法，其真实操作为：利用鼠标点击综合显示软件界面中的“风门遥调”游标，上下进行拖动，实现马力遥调操作，用于调节发动机转速，利用鼠标点击综合显示监视器中的软件界面中的“气道遥调”游标，上下进行拖动，实现气道遥调操作，用于调节气道进气量。

在虚拟的装备环境中，当受训者选择“控制发动机工作在N转”的操作任务后，进入到模拟操作环境，受训者通过虚拟飞行控制柜的飞控软件进行与上述真实操作一致的虚拟操作，当受训者在操作过程中遇到障碍时，能够通过请求的操作提示信息继续进行操作训练，或及时触发调取反映正确操作的图片、动画或视频资源的按键，先学习再操作。

考核单元负责对引导单元和探索单元的学习效果进行进一步检验，包括认知考核模式和操作考核模式两部分：内容与探索单元相同，区别是没有提示，完全由受训者自己在仿真环境中摸索。训练完成后，会显示受训者的训练情况（包括误操作次数，出错处，最终得分）。

认知考核模式具体任务举例：子任务1“飞行控制题板上的“爬升”指令按键在哪里？”正确做法是，受训者找到飞行控制计算机并点击飞行控制板上“爬升”指令按键键面即可，只有一次点击选择机会，行为交互单元会根据受训者的操作记录行为，判断操作正确性，并进行评分，在考核结束时向受训者显示任务总的完成情况及分值；子任务2“当前的三维模型中高亮显示的ABCD四个部件中，哪个能够产生对飞机、GDT和任务设备的操纵信号？”正确操作是：点击飞行控制柜的三维模型，使其高亮显示消失，表示选中，只有一次选择机会，行为交互单元都会根据受训者操作记录行为，判断操作正确性，并予以评分，在考核结束时显示任务完成情况及分值。

本发明的优点主要有以下几点：

1、实时性和交互性强、逼真度高

本发明采用Stateflow软件工具对虚拟样机工作状态进行模拟控制，既模拟实装的动态工作过程，又满足对样机单元状态实时控制的要求；同时，还采用人在控制回路的方式和虚拟无人机三维仿真模型交互，受训者把自己的训练意图通过鼠标和键盘操作传递给仿真模型，驱动其做出相应的响应，虚拟无人机三维仿真模型则把响应后的结果通过显示器呈现出来传递给受训者，为其下一步操作提供指导；另外，本发明包含的虚拟无人机三维仿真模型不仅在外观结构上和装备实物一致，而且虚拟训练操作与实装操作也非常一致，形象逼真、操作逼真，沉浸感强，能够代替实装开展训练。

2、训练方式新颖、模式多样、探索性强、循序渐进

本发明有三种训练模式，逐次分为循序渐进的三个阶段：

第一阶段：引导单元：以文本、动画或视频训练为主。受训者通过选择系统框架内相应的条目及其子条目，即观看调取的文本、图片、三维动画或视频资源；

第二阶段：探索单元

分为认知训练模式和操作训练模式两部分：

认知训练模式：受训者进入系统后呈现在其面前的是虚拟无人机三维仿真模型，随着在虚拟场景中走动，认识装备内外结构和相应设备，如遇不太了解的设备时，能够请求显示设备名称和查看当前子设备资料，并立即得到响应；

操作训练模式：受训者选择任务及其子任务后，进入可视化交互式训练环境，呈现在受训者面前的也是虚拟的无人机三维仿真模型，与认知训练模式不同的是：任务训练的每一个步骤都是模型里已经设定好的，受训者根据第一阶段的学习掌握情况，在虚拟的训练环境中自主练习装备的规范操作和探索，当受训者的当前操作正确时才触发流程进入到下一步的操作中，当然，如果受训者不太清楚当前操作，可请求提示信息或者请求查看反映正确操作的多媒体资源，训练单元得到请求后，会调取相应的规范操作视频或动画内容，给予受训者观看。

第三阶段：考核单元

考核单元包括认知考核模式和操作考核模式：操作与探索单元类似，区别是没有提示，也不能调取多媒体资源，完全由受训者自己在仿真环境中摸索，但是在训练过程中会记录受训者的操作行为，并对其操作行为的正确性予以判断和评分，在考核完成后，会显示受训者的训练情况（包括误操作次数，出错处，最终得分）。

上述三阶段循序渐进，能够有效地提高训练效率。

3、集合性高、实用性好、训练效果显著

本发明的目的是提供一种逼真程度高、交互性强、探索性强、可支持自主学习、数量扩充方便、成本低、效率高且安全的无人机模拟训练系统，使之不仅能够模拟实装训练，使受训者真正获得现场操作的临场感和真实感，而且将其它训练资源也有机聚合在该训练系统中，集实装、模拟器训练、多媒体训练和挂图等具备的优点于一体，可解决目前装备训练中实装数量少、开展难，而其它训练手段交互性和灵活性差以及逼真度不高等难题，提高教与学的效率。

成本效益、安全性和应用价值：本发明的无人机模拟训练系统体系结构、建立的高交互性虚拟样机模型与训练方法具有通用性和扩展性，可直接应用于通用中小型无人机的虚拟维修训练，同时也为以后大型虚拟维修训练系统的开发提供技术支持。缓解实装数量少、承训人数受限、易损且不安全等训练难题；同时应用无人机模拟训练系统能够大大地降低训练成本，提高训练的安全性。 

Claims (7)

1.一种无人机模拟训练系统，其特征在于包括人机交互单元、训练单元、行为交互单元、虚拟仿真模型单元、训练考核数据单元和多媒体资源单元；

所述人机交互单元包括输入模块和显示模块，用于通过输入模块接收受训者的操作意图，并将其转换为计算机控制语言，然后根据上述控制语言通过显示器向受训者呈现训练单元的用户操作界面和与虚拟无人机三维仿真模型交互操作的可视化窗口，在操作过程中实时显示虚拟无人机三维仿真模型的方位和功能状态，向受训者呈现调取的多媒体资源，并显示操作提示、考核任务和结果信息；

所述训练单元用于通过人机交互单元验证受训者，并向经验证的受训者提供介绍该无人机模拟训练系统使用方法的系统操作使用手册，并通过显示模块进行显示，当受训者确定掌握使用方法后向受训者呈现引导单元、探索单元和考核单元； 

所述行为交互单元通过通用接口与训练单元相连接，用于获取人机交互单元传递过来的受训者的操作指令，并转化为对虚拟无人机三维仿真模型的控制指令，以此驱动相应的虚拟仿真模型单元动作；

所述虚拟仿真模型单元接收行为交互单元的控制指令，并提供根据控制指令做出响应动作的虚拟无人机三维仿真模型；

所述训练考核数据单元，用于通过行为交互单元获取受训者在考核时的操作行为，记录操作行为结果信息，并在考核结束时对考核任务的完成情况进行整体评分，生成考核结果信息，并向受训者呈现考核结果信息，以及考核结束后对考核结果进行存储；

所述多媒体资源单元接收来自于训练单元传送的命令，用于向该系统的可视化窗口提供调用的多媒体资源，所述多媒体资源为文本、图片、动画和视频，用于显示训练内容。

2.根据权利要求1所述的一种无人机模拟训练系统，其特征在于所述虚拟仿真模型单元包括三维模型数据单元、功能状态仿真单元和关联关系单元，所述三维模型数据单元提供无人机的三维外观模型，描述无人机的外在特征，所述外在特征包括无人机的几何结构、固有属性和特征现象，所述固有属性包括纹理、材质，所述特征现象包括光照；所述功能状态仿真单元用于描述无人机子部件的功能状态；所述关联关系单元用于描述无人机内部子系统之间的联系，根据受训者操作判断哪些无人机子部件的功能状态需要进行模拟，以及要仿真子部件的功能状态单元之间输入输出的相互联系。

3.根据权利要求1所述的一种无人机模拟训练系统，其特征在于所述引导单元通过训练引导窗口调用多媒体资源引导受训者了解无人机装备的原理、构造、功能、操作使用和维护保养方面的知识；所述探索单元以呈现在可视化窗口的可交互虚拟无人机三维仿真模型为引导，使受训者主动探索无人机的内外结构、练习无人机的规范操作使用，以及在引导单元学习的基础上进一步熟悉无人机的基本装备知识；所述考核单元记录受训者的操作行为，用于检验受训者学习效果。

4.根据权利要求3所述的一种无人机模拟训练系统，其特征在于所述探索单元包括认知训练模块和操作训练模块，所述认知训练模块用于使受训者认识无人机装备的内外结构和相应设备、并向受训者提供选中的无人机设备的名称，按需调取和显示选中子设备的多媒体资源；所述操作训练模块用于使受训者在虚拟的无人机装备中练习无人机的规范操作使用，完成各项具体的操作任务，并根据受训者的操作请求类型向受训者提供体现规范操作的提示信息，或调取和显示体现规范操作的多媒体资源；所述考核单元包括认知考核模块和操作考核模块，所述认知考核模块用于向受训者提供无人机原理、功能、结构和组成方面的考核任务，受训者根据考核任务在虚拟装备环境中和题板以及虚拟装备对象交互进行答题操作，最终对任务总体完成情况进行评分；所述操作考核模块用于向受训者提供无人机操作考核任务，受训者根据考核任务在虚拟装备环境中进行任务的相应操作，考核结束时对任务完成的总体情况进行评分。

5.根据权利要求3或4所述的一种无人机模拟训练系统的控制方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

（a）对受训者进行身份验证，如果验证成功则进入步骤（b），如果不成功则不能进入系统；

（b）受训者学习系统操作使用手册；

（c）受训者确定掌握系统操作使用手册后根据自身训练情况选择训练模块，进入训练模式；

如果选择引导单元，受训者选择学习条目及子条目，训练单元根据选择条目及子条目调用多媒体资源单元中对应的文本、图片、动画和视频，提供给受训者学习；

如果受训者选择探索单元，进而先选择认知训练模式或操作训练模式，再进入子窗口选择具体的训练任务，进入可视化的虚拟交互窗口，然后受训者通过人机交互单元实施操作，由行为交互单元捕获操作和转化为对虚拟仿真模型单元的操作命令，虚拟仿真模型单元根据上述操作命令确定相关联的子部件，驱动其进行功能状态仿真，并生成相应的虚拟无人机三维仿真模型，同时根据受训者操作指令调取相关多媒体训练资源，显示训练提示语句，将其呈现在受训者面前；

如果受训者选择考核单元，进而先选择认知考核模式或操作考核模式，再在其子窗口下选择具体的考核任务，进入可视化的虚拟交互窗口，受训者通过人机交互单元对二维的试题面板和三维的仿真模型实施操作，其操作经由计算机解析，其事件被行为交互单元获取、判断、记录和处理，在考核结束时形成考核结果信息，并通过行为交互单元将考核结果信息输出显示给受训者，以及对考核结果进行存储。

6.根据权利要求5所述的一种无人机模拟训练系统的控制方法，其特征在于所述探索单元具体控制方法是，受训者通过人机交互单元向训练单元发起操作指令，请求进行自主探索式训练，当受训者选择认知训练模式或操作训练模式及其具体训练子任务后，进入对应交互式模拟训练环境，受训者通过人机交互单元产生的操作指令经由行为交互单元转化为对虚拟仿真模型单元和多媒体资源单元的操作；如果是认知训练模式，则受训者的连续操作通过行为交互单元获取和解析驱动虚拟无人机三维仿真模型动作，使其转至合适方位，呈现所需装备外观；如果是操作训练模式，则受训者的操作通过行为交互单元获取和解析驱动关联关系单元和功能状态单元进行仿真，仿真完毕生成相应的虚拟无人机三维仿真模型，呈现具备上述功能状态的装备外观；当受训者发起对虚拟无人机三维仿真模型的操作后，首先是机理模型响应操作，然后是外观模型响应机理模型的结果，呈现虚拟无人机三维仿真模型外观，如果受训者操作不涉及系统的功能状态，则直接由外观模型响应操作；如果受训者发起对多媒体资源的访问操作，则行为交互单元调取和呈现相应的训练资源；如果受训者请求操作提示，则行为交互单元根据操作请求类型显示相应的提示信息。

7.根据权利要求5所述的一种无人机模拟训练系统的控制方法，其特征在于所述考核单元具体控制方法是，受训者通过人机交互单元从训练单元选择考核训练模式，进入考核方式选择界面，受训者选择认知考核模式或操作考核模式，如果选择认知考核模式，则进入认知考核题板选择界面，在此选择一认知考核题板，进入对应的题板界面，选择题板内的具体子任务，进入与子任务对应的交互式考核训练环境，受训者通过对虚拟的无人机对象实施简单的拖拽、拆卸和选择交互操作进行答题，行为交互单元实时获取受训者操作行为、并将其与正确选项比较，对选择结果进行记录，在考核结束时对所选考核题板内任务总体完成情况进行评分，和向受训者显示考核结果信息，如考核所用时间、分值和出错信息，以及对考核结果进行存储；如果是操作考核模式，则根据受训者选择进入操作考核题板选择界面，选择一操作考核题板，进入对应的操作考核题板界面，选择具体子任务后，进入与所选子任务对应的交互式操作考核模式训练环境，受训者通过对虚拟的装备对象实施与实装操作一致的交互操作进行考核，行为交互单元实时获取受训者操作行为、将其与规范装备操作比较以判断操作正确性、并记录操作行为，在考核结束时对所选考核题板内任务的总体完成情况进行评分，并向受训者显示考核的结果信息，如考核所用时间、分值和错误操作信息，以及对考核结果进行存储。