CN107390545B - 一种无人机及其载荷的仿真训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机及其载荷的仿真训练系统,包括：无人机飞行控制训练系统，飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到转台系统，转台系统用于进行实时飞行姿态的响应；无人机载荷控制训练系统，载荷控制器用于将控制指令发送到稳定平台系统，稳定平台系统用于进行实时平台姿态的解算和响应；视景仿真计算机，视景仿真模块用于根据该实时飞行姿态对无人机模型以及三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，用于根据该实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景。本发明实现了对飞行控制、载荷控制的训练以及联合训练，具有高实时性和优越的可扩展性。

Description

一种无人机及其载荷的仿真训练系统

技术领域

本发明属于飞行控制与仿真技术领域，涉及无人机飞行控制与载荷控制的地面半实物仿真，尤其涉及一种无人机及其载荷的仿真训练系统，适用于飞行器飞行姿态以及载荷平台姿态及工作状态的半实物仿真试验及全系统地面试验。

背景技术

飞行器地面半实物仿真技术在飞行器系统设计和整个研发过程中具有重要的工程意义，现已广泛的应用于航空航天领域。完整的闭环半实物仿真系统主要由仿真计算机、物理效应设备和接口设备组成，其中物理效益设备是实现系统仿真所需要的重要中间环节，用于模拟复现真实世界的物理环境，但这些设备的引入必然给仿真系统带来失真和误差，其动态特性、静态特性和时间延迟都将对整个仿真系统的置信度和精度产生重要影响。实时性是衡量半实物仿真系统仿真能力的关键指标。

飞行仿真转台是进行飞行器飞行姿态地面半实物仿真试验的重要物理效应设备，具有内、中、外三个框架，用于模拟飞行器在空间姿态角度和角速度的变化，其主要功能是模拟飞行器三个自由度的角运动，复现飞行器的姿态角；在仿真回路中，接收并跟踪仿真机发送的三框位置指令信号，将其转换为可被传感器测试的物理运动，为被测试件提供试验条件。飞行仿真转台的性能优劣直接关系到仿真试验的可靠性和置信度，是保证航空、航天系统精度和性能的基础，因此对转台提出了较高的技术指标。目前转台系统一般采用集散控制系统机制，并具有位置模式、速率模式和仿真模式三种工作模式。随着网络通信技术的发展，飞行仿真转台在用于半实物仿真试验时，已逐渐由独立试验转台变为包括转台在内的多个相关实验设备同时进行联网的仿真试验，甚至形成更大规模的半实物仿真试验网络，以满足越来越复杂的仿真试验要求。可见，研究一种可联网控制并具有高实时性的飞行仿真转台具有重要的实际意义。

由于四合一光电载荷系统操作过程比较复杂，一般需要专业的操作手才能在实际任务过程中完成操作。开发一种具有高仿真度的任务训练仿真系统具有重要的实际意义与应用价值。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出了一种可实现无人机飞行控制训练以及载荷控制训练的无人机及其载荷的仿真训练系统。

本发明的技术方案为：

一种无人机及其载荷的仿真训练系统,包括：无人机飞行控制训练系统、无人机载荷控制训练系统和视景仿真计算机；

所述无人机飞行控制训练系统包括三轴飞行仿真转台系统和飞行控制计算机，其中，所述飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到所述三轴飞行仿真转台系统，所述三轴飞行仿真转台系统用于对该仿真的飞行姿态结果进行实时飞行姿态的响应；

所述无人机载荷控制训练系统包括稳定平台系统和载荷控制器，其中，所述载荷控制器用于将控制指令发送到所述稳定平台系统，所述稳定平台系统用于根据该控制指令进行实时平台姿态的解算和响应；

所述视景仿真计算机上建立有无人机模型、载荷平台模型和三维场景模型；所述视景仿真计算机包括一视景仿真模块，所述视景仿真模块用于根据实时飞行姿态对所述无人机模型以及所述三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，所述视景仿真模块还用于根据实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对所述三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景。

进一步地,所述飞行控制计算机通过由光纤交换机组建而成的反射光纤网络与所述三轴飞行仿真转台系统进行通信。

进一步地,所述飞行控制计算机与所述三轴飞行仿真转台系统之间的通信采样中断响应机制，采样周期设定为1ms。

进一步地,所述稳定平台系统采用双轴陀螺稳定平台系统。

进一步地,所述三维场景模型包括可见光三维场景模型和红外三维场景模型。

进一步地,所述三维场景模型包括地形模型、目标模型和环境模型。

进一步地,所述地形模型采用分形地形生成法模拟生成，并且所述地形模型的所需数据为SRTM数据，所述地形模型的纹理模型通过航空影像拼接而成。

进一步地,所述视景仿真模块用于将所述飞行控制仿真场景和所述载荷控制仿真场景融合成为一个联合训练仿真场景。

本发明所述的无人机及其载荷的仿真训练系统的有益效果为：

本发明可以实现对无人机飞行控制的训练、对载荷控制的训练以及对无人机飞行控制与载荷控制的联合训练。本发明使用光纤交换机，可方便组建反射光纤网络，具有高实时性并且可扩展能力强的优点；本发明中飞行控制计算机与三轴飞行仿真转台系统之间的通信采用中断响应机制，实现采样周期为1ms，提高了整个系统的跟踪速度、实时性及可靠性；本发明添加红外三维场景模型、天气模型等，使得整个系统具有丰富的训练功能，能实现全天候的模拟训练。基于上述设计，本发明具有高实时性和可扩展性的优势，弥补了现有训练仿真系统的不易扩展，尤其是实时性不够高的缺陷，适用于更多一般及复杂飞行器及其载荷的训练仿真试验需求，并且容易实现多种仿真功能的扩展，具有更高的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明所述的无人机及其载荷的仿真训练系统的硬件组成图；

图2为本发明所述的无人机及其载荷的仿真训练系统的软件组织关系图；

图3为本发明所述的无人机及其载荷的仿真训练系统的软件部署示意图；

图4为本发明所述的双轴陀螺稳定平台模型的示意图；

图5为本发明所述的红外三维场景的仿真流程图；

图6为本发明所述的地形模型示意图；

图7为本发明所述的地面目标示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1至图7所示，本发明提供了一种无人机及其载荷的仿真训练系统,包括：无人机飞行控制训练系统，其包括三轴飞行仿真转台系统和飞行控制计算机，其中，所述飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到所述三轴飞行仿真转台系统，所述三轴飞行仿真转台系统用于对该仿真的飞行姿态结果进行实时飞行姿态的响应；无人机载荷控制训练系统，其包括稳定平台系统和载荷控制器，其中，所述载荷控制器用于将控制指令发送到所述稳定平台系统，所述稳定平台系统用于根据该控制指令进行实时平台姿态的解算和响应；视景仿真计算机，其上建立有无人机模型、载荷平台模型和三维场景模型，所述视景仿真计算机包括一视景仿真模块，所述视景仿真模块用于根据该实时飞行姿态对所述无人机模型以及所述三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，所述视景仿真模块还用于根据该实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对所述三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景。

本发明包括无人机飞行控制训练系统和无人机载荷控制训练系统两个部分，可以利用无人机飞行训练系统进行无人机飞行训练，利用无人机载荷控制训练系统进行无人机载荷控制训练，还可以利用二者进行联合训练。

在一个优选的实施例中，本发明所述的仿真训练系统主要包括硬件和软件系统两大部分，系统硬件组成和相互连接关系如图1所示。三台工控机分别为目标定位计算机、视景仿真计算机和飞行控制计算机，目标定位计算机与飞行控制计算机主要用于运行目标定位软件与飞控地面控制软件，为普通工业控制计算机，视景仿真计算机需运行较多的仿真模型与三维视景，需配置4G以上内存和1G以上高速显卡。目标定位计算机通过视频线缆接收视景仿真计算机实时产生的图像，需配置图像采集卡。三台工控机之间两两采用RS422串口进行通信。

软件与模型设计是本发明所述的仿真训练系统的主体，主要包括模型软件和控制软件，模型软件包括无人机模型、载荷平台模型、地形模型、典型地面目标模型、环境模型等；控制软件主要包括训练任务控制软件、地面飞行控制软件、仿真控制软件和目标定位软件。为降低系统的复杂性，本系统未建立完整的数据链路模型，数据链路的模拟主要通过在数据通信中加入延时来实现。系统软件组织关系如图2所示，各软件在硬件中的部署如图3所示。

无人机模型使用专业三维建模软件creator进行构建。在利用Creator建模工具建立无人机本体建模前首先要确定无人机的结构和制作无人机纹理的图片。飞行状态的无人机可见的基本结构包括：机头、机身、座舱、机翼、水平尾翼、垂直尾翼、副翼舵、方向舵、升降舵等。在Creator中，对于复杂模型的构造一般是采用放样的方法来创建。对于无人机的构造，首先根据无人机结构数据，在机头顶点、垂尾顶点、翼尖等特征点处设置放样点，在平尾和垂尾边沿等特征线处勾画与特征线吻合的放样线，在机身不同部位的垂直横截面、座舱各段横截面等处创建与其形状一致的放样面；然后在根据不同部位放样点、线、面归属不同的object结点，放样点、线、面的层次结构；然后利用Creator的Loft工具，将每个object结点中的放样点、线、面，根据其实际的形体结构，放样为无人机的不同的位置。

在仿真过程中，无人机模型根据飞行控制计算机发送过来的遥测数据不断改变位姿，以及舵面的变形量等参数，真实反映模拟操作对无人机的控制。无人机模型主要的几个位姿参数包括无人机在地面坐标系中的位置坐标和实时飞行姿态，即分别绕地面坐标系中x,y,z轴的滚转角、俯仰角、偏航角。

载荷平台的模拟主要是对稳定平台系统的模拟，最终目的是根据操作杆操作时给出的信号(即控制信号)，计算稳定平台系统的方位角和高低角(即根据该控制指令进行实时平台姿态的解算和响应)，最终确定载荷视场的范围和方向，视景仿真计算机可结合该载荷视场对三维场景模型进行实时渲染，从而形成载荷控制仿真场景。其他可见光和红外相关操作功能都是在此视场的基础上进行三维场景的相关处理和变化。

优选地，本发明采用Creator3.0进行各三维模型的设计，主要包括可见光三维场景模型、红外三维场景模型、地面目标模型、无人机模型、载荷平台模型等。

优选地，系统仿真软件和任务软件的编写采用Visual C++6.0为开发语言进行任务软件编写，主要包括训练任务设置软件、飞行控制软件、目标定位软件等，视景仿真软件有Vega Prime结合Visual C++6.0进行编写。

在一个优选的实施例中，所述的无人机及其载荷的仿真训练系统中,所述飞行控制计算机通过由光纤交换机组建而成的反射光纤网络与所述三轴飞行仿真转台系统进行通信。

该实施例使用光纤交换机，并由其组建反射内存光纤网络，使系统具有高实时性和很强的可扩展能力。

在一个优选的实施例中，所述的无人机及其载荷的仿真训练系统中,所述飞行控制计算机与所述三轴飞行仿真转台系统之间的通信采样中断响应机制，采样周期设定为1ms。

该实施例有助于提高整个系统的跟踪速度、实时性及可靠性。

在一个优选的实施例中，所述的无人机及其载荷的仿真训练系统中,所述稳定平台系统采用双轴陀螺稳定平台系统。

在稳定平台系统的闭环补偿中，补偿力矩是根据平台受扰动后的转动角速度或角度的大小来确定的，而这个转动角速度或角度又是由陀螺仪测量的。由于陀螺仪信号器的输出功率较小，回路中有一放大器。为使平台具有期望的响应特性，还包含有校正网络。四合一光电载荷平台采用的是双轴陀螺稳定平台，其高低、方位两回路的组成与单轴平台类似。

所采用的双轴陀螺稳定平台的模型如图4所示。载荷平台模型可以对双轴陀螺稳定平台的控制方程和控制律进行快速解算，当地面任务控制手推动操纵杆时，控制量会通过任务控制通道发送给该部分，仿真机根据平台控制量计算出平台的方位角和高低角，再通过遥测通道发送给任务控制软件，任务控制软件显示平台的工作状态和目标定位时使用，同时也将平台的参数传送给视景软件，视景软件计算出视角，产生不同角度的目标区图像，可达到良好的操纵平台寻找目标的训练效果。

在一个优选的实施例中，所述的无人机及其载荷的仿真训练系统中,所述三维场景模型包括可见光三维场景模型以及红外三维场景模型。

本发明采用Vega传感器模块将输入的可见目标图像生成红外图像，利用Vega传感器模块进行传感器建模，具有效果好、成本低、易实现的优点。

具体地，红外成像仿真的过程大致为：根据目标的红外辐射特性，采用合适的数学模型，用计算机计算出红外目标的红外辐射分布；然后，按照目标与视点间的大气条件，利用大气传输模型计算目标红外辐射分布经过大气到达视点过程中的衰减；最后，模拟红外探测器特性，计算探测器成像面元对应像素的辐射度，再通过量化等手段，将辐射数据转换为亮度来显示。具体实施主要包括以下几个步骤，仿真流程如图5所示。

在一个优选的实施例中，所述的无人机及其载荷的仿真训练系统中,所述三维场景模型包括地形模型、目标模型和环境模型。

在一个优选的实施例中，所述的无人机及其载荷的仿真训练系统中,所述地形模型为采用分形地形生成法模拟生成，并且所述地形模型的所须数据为SRTM数据，所述地形模型的纹理模型为通过航空影像拼接而成。

具体地，地形模型是视景显示的基础，为模拟无人机在各种不同地形条件下的飞行情况，系统需要建立包含平原、山地、海洋、城镇等典型地物地貌的三维场景。为适应无人机飞行任务的活动范围，场景还需要具备较大规模，利用三维真实感地形图能逼真地反应外部真实世界，其突出优点是可视化程度高、使用方便、便于存储和查询。在本系统中，无人机任务飞行的模拟对地形的精细程度要求不高，但实时性和交互性要求很高，即在满足一定的视觉效果的情况下要求实时地形生成，故系统对地形的处理上采用了分形地形生成法进行模拟。采用此方法生成的地形虽然不能达到与实际训练使用地图的地形完全一致，但图形生成快、实时性较好，基本满足训练需求。

地形模型的创建所需要的DEM采用公开的SRTM数据，该DEM数据基本覆盖全球范围，能达到米级精度，系统根据需求选取典型地区数据进行拼接，形成目标区域的DEM模型。目标区域相应的纹理模型主要通过航空影像拼接，影像来源于Google地图，影像具有较高的分辨率，能保证任务载荷在调节视场时场景仍具有较高清晰度。地形模型导入VegaPrime后最终结果如图6所示。

为配合载荷控制完成目标定位等训练操作，场景中还需添加若干地面目标模型，如建筑物、车辆、坦克等，飞行过程中，一但发现目标，可以调整焦距，此时可以冻结图像，对其进行定位操作。

地面目标的建模也通过Creator完成，先实现目标的外形建模，再添加纹理等信息，最后将模型载入Vega Prime。目标模型如图7所示。

在一个优选的实施例中，所述的无人机及其载荷的仿真训练系统中,所述地形模型包含机场模型，所述环境模型包括天气模型。

无人机起降控制是无人机控制的重要部分，对飞行安全有着至关重要的作用，CH3无人机自主起降需要合适的机场环境，因而本系统需在地形模型中增加机场模型，供无人机起降控制模拟。

在一个优选的实施例中，所述的无人机及其载荷的仿真训练系统中,所述视景仿真模块用于将所述飞行控制仿真场景和所述载荷控制仿真场景融合成为一个联合训练仿真场景。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,包括：无人机飞行控制训练系统、无人机载荷控制训练系统和视景仿真计算机；

所述无人机飞行控制训练系统包括三轴飞行仿真转台系统和飞行控制计算机，其中，所述飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到所述三轴飞行仿真转台系统，所述三轴飞行仿真转台系统用于对该仿真的飞行姿态结果进行实时飞行姿态的响应；

所述无人机载荷控制训练系统包括稳定平台系统和载荷控制器，其中，所述载荷控制器用于将控制指令发送到所述稳定平台系统，所述稳定平台系统用于根据该控制指令进行实时平台姿态的解算和响应；

所述视景仿真计算机上建立有无人机模型、载荷平台模型和三维场景模型；所述视景仿真计算机包括一视景仿真模块，所述视景仿真模块用于根据实时飞行姿态对所述无人机模型以及所述三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，所述视景仿真模块还用于根据实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对所述三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景；所述视景仿真模块用于将所述飞行控制仿真场景和所述载荷控制仿真场景融合成为一个联合训练仿真场景。

2.如权利要求1所述的无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,所述飞行控制计算机通过由光纤交换机组建而成的反射光纤网络与所述三轴飞行仿真转台系统进行通信。

3.如权利要求2所述的无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,所述飞行控制计算机与所述三轴飞行仿真转台系统之间的通信采样中断响应机制，采样周期设定为1ms。

4.如权利要求1所述的无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,所述稳定平台系统采用双轴陀螺稳定平台系统。

5.如权利要求1所述的无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,所述三维场景模型包括可见光三维场景模型以及红外三维场景模型。

6.如权利要求1所述的无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,所述三维场景模型包括地形模型、目标模型和环境模型。

7.如权利要求6所述的无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,所述地形模型为采用分形地形生成法模拟生成，并且所述地形模型的所须数据为SRTM数据，所述地形模型的纹理模型为通过航空影像拼接而成。

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