CN112133155A - 一种警用无人机培训系统 - Google Patents
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Abstract
一种警用无人机培训系统，包括以下部分：培训用无人机；飞控模块，用于获取无人机的飞行状态信息，飞行状态信息包括飞行姿态、速度以及位置信息；管理模块，包括模拟飞行控制单元和信息管理单元，模拟飞行控制单元自动控制无人机进行现场飞行演示；信息管理单元通过远程获取无人机的飞行状态信息来实时监控无人机的飞行状态，并将从飞控模块获取的飞行状态信息与培训规则进行对比，对培训进行打分并得出飞行训练中所存在的问题；飞控模块包括处理器单元、陀螺仪、加速器、电子罗盘、气压计以及RTK差分定位系统。采用上述方案，实现了警用无人机操作智能化、标准化的培训。
Description
技术领域
本发明涉及无人机培训系统技术领域，尤其是一种警用无人机培训系统。
背景技术
警用无人机属于国家航空器。警用无人机在警务任务中的应用，关系到国家安全、公共安全及飞行安全。从2015年起，我国公安系统就展开了警用无人机的应用和推广，各级公安机关设立了统一管理的警航建制，初步建成了一支在国内各行业中规模最大的无人机应用技术队伍，率先推出了警用无人机系统的技术标准，确立了警用无人机培训机制，建立了从无人机设备定型、装备管理、人员培训到实战应用的警用无人机全流程应用体系。
由于警务任务的特殊性和专业性，对警用无人机驾驶员提出了更高的要求，突出体现在实战应用中应具备较高的快速反应能力、环境适应能力、灵活操控能力、应急处变能力等。鉴于此，公安部已经建立了警用无人机培训、考核和持证上岗的人员管理机制，但目前警用无人机培训和考试仍然采用常规的手段和方法，需要大量有经验教员实施教学，考核质量评估主要依赖于考官的主观判别。这种培训和考试方式，难以统一培训标准，难以提高培训效率，难以实现质量评估的公平可靠，并且增加了培训的成本。因此，需要改进。
发明内容
本发明目的是提供一种警用无人机培训系统，能够对操作人员进行标准化、智能化、体系化的培训，并能有效的和无人机考试进行衔接。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种警用无人机培训系统，包括以下部分：培训用无人机；飞控模块，用于获取无人机的飞行状态信息，所述飞行状态信息包括飞行姿态、速度以及位置信息；管理模块，包括模拟飞行控制单元和信息管理单元，所述模拟飞行控制单元自动控制无人机进行现场飞行演示；所述信息管理单元通过远程获取无人机的飞行状态信息来实时监控无人机的飞行状态，并将从飞控模块获取的飞行状态信息与培训规则进行对比，对培训进行打分并得出飞行训练中所存在的问题； 所述飞控模块包括处理器单元、用于获取无人机倾角的陀螺仪、用于获取无人机速度及加速度的加速器、用于获取无人机方位的电子罗盘、用于获取无人机高度的气压计以及对无人机位置进行定位的RTK差分定位系统。
进一步的，所述现场飞行演示包括培训大纲全套动作的标准示范、培训大纲单个动作的标准示范以及考试规定动作的标准示范的一种或多种。
进一步的，教练通过无人机遥控器控制无人机进行演示，模拟飞行控制单元记录遥控器的控制信息并形成控制命令，通过记录的控制命令进行所述现场飞行示范。
进一步的，所述现场飞行演示包括正确动作示范和偏差动作示范。
进一步的，所述信息管理单元监控获取培训中无人机的飞行状态信息，并对比培训规则对学员进行语音提示和/或指导，信息管理单元对学员的飞行状况进行阶段性的统计形成统计信息，所述统计信息包括培训人员身份、培训进程、培训分数、培训时间以及每次飞行的轨迹。
进一步的，所述管理模块包括以下部分：地面站，所述地面站设于培训场地，所述地面站实时获取无人机的飞行状态信息，同时根据培训规则要求，全自动的对培训进行打分并得出飞行训练中所存在的问题；无人机数据云，作为无人机飞行数据的存储、转发和分析的大数据中心；无人机管理中心，远程对无人机培训实时大数据呈现和无人机培训过程的全面管控；所述地面站通过3G/4G网络与无人机数据云连接并将飞行状态数据传输给无人机数据云，无人机数据云将飞行状态数据以及所统计到的统计信息通过互联网发送给远端的无人机管理中心。
进一步的，所述培训系统包括多个培训场地，每个考场设置有地面站和若干考试用无人机，所述地面站为若干带地面站客户端的电脑，电脑通过无线数据通讯链路实时获取无人机的飞行状态信息并显示在地面站客户端的显示界面上，电脑对飞行状态信息进行实时处理和运算并对培训情况进行评价。
进一步的，所述无人机管理中心设置有管理中心客户端；地面站客户端以及管理中心客户端皆通过基于GatewayWorker和Yii2两种php框架实现业务逻辑，通过使用GatewayWorker实现socket服务的监听，以及实时监控功能中数据的转发，通过使用Yii2框架来实现系统管理功能，通过使用Mysql数据库实现数据的存储以及汇总；所述管理中心客户端使用问答式协议并对单个无人机设置唯一标识；所述管理中心客户端包括记录模块和大数据统计模块，所述记录模块对无人机数据以及操作日志进行记录的，所述大数据统计模块对统计信息进行统计。
进一步的，所述培训系统还包括考试模式，管理模块中记录有考试规则，管理模块将从飞控模块获取的飞行状态信息与考试规则进行对比评分，进而得出考试成绩。
进一步的，所述处理器单元包括主处理器和协处理器，所述主处理器的型号为STM32F427，所述协处理器的型号为STM32F100，加速器及陀螺仪型号为MPU6000，电子罗盘型号为LS303D，气压计型号为MS5611。
采用上述技术方案，本系统能够进行培训内容的现场教学演示，包括确动作示范和偏差动作示范，并辅之与语音指导，相对于常规的视频和PPT教学，提高了学员的接受度，且通过系统自动进行示范，标准化程度高，不需要经验丰富的老师进行，也节约了人力。
其次，本系统能进行培训内容和考试内容的现场练习，通过飞控模块，对无人机的飞行状态信息进行收集，并结合培训规则进行自动打分，能够快速有针对性的提高学院的警用无人机驾驶能力，通过无人机管理中心，能够对无人机培训实时大数据呈现和无人机培训过程的全面管控。
另外，本系统能够作为警用无人机的考试系统，培训场地作为考场使用，实现了警用无人机考试的标准化、流程化，提高了考核的效率。
附图说明
图1为本系统的模块示意图。
图2为考场位置分布示意图。
图3为水平“∞”字飞行示意图。
图4为垂直矩形航线飞行示意图。
图5为垂直倒三角形航线示意图。
图6为菱形航线平移飞行示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明进行说明。
如图1所示，一种警用无人机培训系统，包括以下部分：培训用无人机、飞控模块以及管理模块。
飞控模块，其用于获取无人机的飞行状态信息，飞行状态信息包括飞行姿态、速度以及位置信息； 飞控模块包括处理器单元、用于获取无人机倾角的陀螺仪、用于获取无人机速度及加速度的加速器、用于获取无人机方位的电子罗盘、用于获取无人机高度的气压计以及对无人机位置进行定位的RTK差分定位系统，RTK差分定位系统包括设在无人机上的GPS定位元件和设在培训场地处并与GPS定位元件进行通信的基站，每个培训场地设置一个基站，处理器单元包括主处理器和协处理器，主处理器的型号为STM32F427，协处理器的型号为STM32F100，加速器及陀螺仪型号为MPU6000，电子罗盘型号为LS303D，气压计型号为MS5611。
管理模块包括地面站、无人机数据云以及无人机管理中心。地面站设于培训场地，地面站实时获取无人机的飞行状态信息，同时根据培训规则要求，全自动的对培训进行打分并得出飞行训练中所存在的问题。无人机数据云作为无人机飞行数据的存储、转发和分析的大数据中心。无人机管理中心远程对无人机培训实时大数据呈现和无人机培训过程的全面管控。地面站通过3G/4G网络与无人机数据云连接并将飞行状态数据传输给无人机数据云，无人机数据云对收集到的数据进行统计形成统计数据，无人机数据云将飞行状态数据以及所统计到的统计信息通过互联网发送给远端的无人机管理中心。
按照功能分类，管理模块包括模拟飞行控制单元和信息管理单元。
模拟飞行控制单元具有模拟飞行控制的功能，该功能主要通过地面站实现，模拟飞行控制单元自动控制无人机进行现场飞行演示，具体的，教练通过无人机遥控器控制无人机进行演示，模拟飞行控制单元记录遥控器的控制信息并形成控制命令，通过记录的控制命令进行现场飞行示范。现场飞行演示包括培训大纲全套动作的标准示范、培训大纲单个动作的标准示范以及考试规定动作的标准示范的一种或多种，每个标准示范又包括正确动作示范和偏差动作示范。
信息管理单元具有信息管理功能，该功能通过地面站、无人机数据云以及无人机管理中心来实现。
在地面站处，信息管理单元通过远程获取无人机的飞行状态信息来实时监控无人机的飞行状态，并将从飞控模块获取的飞行状态信息与培训规则进行对比，对培训进行打分并得出飞行训练中所存在的问题。另外，在学员飞行时候，地面站能够监控并获取培训中无人机的飞行状态信息，并对比培训规则对学员进行语音提示和/或指导。在远端，无人机数据云以及无人机管理中心对学员的飞行状况进行阶段性的统计形成统计信息，统计信息包括培训人员身份、培训进程、培训分数、培训时间以及每次飞行的轨迹。
管理系统的详细结构如下：
培训系统包括多个培训场地，每个考场设置有地面站和若干培训用无人机，地面站为若干带地面站客户端的电脑，电脑和无人机一一配对，电脑通过无线数据通讯链路实时获取无人机的飞行状态信息并显示在地面站客户端的显示界面上，电脑对飞行状态信息进行实时处理和运算并对培训情况进行评价。
无人机管理中心设置有管理中心客户端，地面站客户端以及管理中心客户端皆通过基于GatewayWorker和Yii2两种php框架实现业务逻辑，通过使用GatewayWorker实现socket服务的监听，以及实时监控功能中数据的转发，通过使用Yii2框架来实现系统管理功能，通过使用Mysql数据库实现数据的存储以及汇总。
电脑通过无线数据通讯链路实时获取无人机的飞行状态信息并在地面站客户端的显示界面上以友好的方式显示出来，电脑对飞行状态信息进行实时处理和运算并对培训进行打分，另外智能得出培训过程中存在的问题。
无人机管理中心具有一站式多机监控、实时数据接收、数据模块化显示以及数据记录与回放的功能，具体如下：
管理中心客户端使用问答式协议并对单个无人机设置唯一标识，保证了多架无人机在同一个数据通道内传输/接收数据的完整性，实现了同时监控多个无人机功能。
在全面支持IEEE 802.11(WiFi)无线通讯设备接入的前提下，管理中心客户端采用的消息队列安全技术，保证了TCP/IP通讯数据收发功能的稳定实现。软件运用的模块化Plugin技术，实现了全面的通讯协议解释功能。
管理中心客户端采用的多线程分块渲染技术，实现对无人机系统数据的多种类、多方式的友好显示。不止于数据值的简单显示，管理中心客户端集成了基于二维地图的显示环境，配合无人机三维模型的显示，提供了更加直观的无人机状态监测方式。
管理中心客户端包括记录模块和大数据统计模块，记录模块对无人机数据以及操作日志进行记录的，大数据统计模块对统计信息进行统计。拥有管理员权限的人可查看统计数据及管理，回放。
另外，培训系统还包括考试模式，管理模块中记录有考试规则和内容，培训场地还可以作为考场使用，考试内容与其中部分的培训内容是相重合的，管理模块将从飞控模块获取的飞行状态信息与考试规则进行对比评分，进而得出考试成绩。
本系统集培训和考试系统一体化，现以考试的内容为例进行简要说明。
一、考试内容包括：
1、起飞；
2、360°旋转，向左或向右旋转一次；
3、水平“∞”字；
4、垂直矩形航线；
5、垂直倒三角形航线；
6、菱形航线平移；
7、降落。
二、考场位置分布示意图如图2所示。
三、飞行动作描述：
1、起飞：无人机置于停机坪中央，通电后检查完毕，确认一切正常，启动电机，加油门使无人机离陆并上升至3米高度，悬停2-3秒，操纵无人机平飞至1号位正上空稳定悬停，起飞动作完成，全部动作的标准时间为20秒。要求起飞加油门动作均匀一致，无人机上升方向垂直地面，投影位置于停机坪中央，无人机无明显晃动，位置漂移不超过规定。
2、向左原地旋转360°：以1号位正上方为原点，保持高度3米，向左旋转360°，旋转角速度均匀一致，高度和位置无明显变化，修正偏差无错舵。向右原地旋转360°：以1号位正上方为原点，向右旋转360°，实施方法同上。旋转动作的标准时间为20秒。
3、水平“∞”字：如图3所示，左右盘旋连贯完成，动作标准时间为80秒。
4、垂直矩形航线：如图4所示，①1号位上空为起点，高度3 米→②左转对准4号位，飞到 4 号位后，旋转180°对准7号位，上升高度至7米，→③飞向 7号位（保持7米高度）→④达到7号位上空，旋转180°，对准1号位，下降高度至 3米→⑤飞向1号位，右转机头对准正前方。动作标准时间为140秒。
5、垂直倒三角形航线：如图5所示，①以1号位为起点，高度 3 米，右转对准7号位→②飞向7号位，同时高度上升至7米→③在7号位上空旋转180°，对准4号位，保持7米高度飞向4号位→④在4号位上空旋转180°，飞向1号位，同时下降高度至3米高度悬停。达到1号位后机头转向正前方。动作完成时间100秒。
6、菱形航线平移：如图6所示，操纵方法与“十”字四方位平移相似。在停机坪上方，保持高度3米，机头朝向始终与无人机运动方向一致。飞行路线：①停机坪（起点）→②4号位→③2号位→④7号位→⑤停机坪（终点），机头转向正前方。飞行路线也可逆时针方向平移。动作完成标准时间为135秒。
7、降落：完成最后一个动作，原地将机尾调整至对准起降点，操纵无人机退回起降点上空，呈对尾状态，保持3米高度，机头朝前，稳定悬停后开始降落。收油门下降高度，接近地面时控制下降速度逐渐减慢，并保持无人机平衡，直至无人机平稳接地。无人机接地时不得带有水平方向移动速度，保持无人机平衡，防止一侧先接地。接地瞬间禁止加油门复飞。降落动作标准时间为15秒。
四、评分细则如下（下述各误差通过飞控模块进行检测）：
1、起飞：
(1)飞行姿态，短时出现的倾斜不超过15°，每出现一次扣0.1分。
(2)上升及在起飞点上空的位移误差，≤0.8m，超出部分线性递减至0分。
(3)上升及在起飞点上空的高度误差≤1.5m，超出部分线性递减至0分。
(4)直线飞向1号位及悬停，位移误差，≤1.5m，超出部分线性递减至0分。
(5)直线飞向1号位及悬停，高度误差≤1.5m，超出部分线性递减至0分。
(6)动作完成时间在20秒内，±15秒，超时或时间过短则线性递减至0分。
2、360º原地旋转：
(1)飞行姿态，倾斜误差，≤15°，超出部分线性递减至0分。
(2)改出方向误差，≤±15°，超出部分线性递减至0分。
(3)旋转时高度变化误差，≤±1m，超出部分线性递减至0分。
(4)旋转时位移误差，≤1.5m，超出部分线性递减至0分。
(5)动作完成时间在20秒内，±12秒，超时或时间过短则线性递减至0分。
3、水平“∞”字：
(1)飞行姿态，倾斜误差≤15°，超出部分线性递减至0分。
(2)左右盘旋切换时机头方向与进入方向的误差，≤±15°，超出部分线性递减至0分。
(3)改出方向误差，≤±15°，超出部分线性递减至0分。
(4)高度误差，≤±1.5m，超出部分线性递减至0分。
(5)偏移误差，≤1.5m，超出部分线性递减至0分。
(6)动作完成时间在80秒内，±30秒，超时或时间过短则线性递减至0分。
4、垂直矩形航线：
(1)飞行姿态，倾斜误差≤15°，超出部分线性递减至0分。
(2)运动时机头方向误差≤±15°，超出部分线性递减至0分。
(3)高度误差，≤±1.5m，超出部分线性递减至0分。
(4)偏移误差，≤±1.5m，超出部分线性递减至0分。
(5)完成动作时间在140秒内，误差≤±30秒，超时或时间过短则线性递减至0分。
5、垂直倒三角形航线：
(1)飞行姿态，倾斜误差≤15°，超出部分线性递减至0分。
(2)运动时机头方向误差≤±15°，超出部分线性递减至0分。
(3)高度误差≤±1.5m，超出部分线性递减至0分。
(4)位置偏移≤±1.5m，超出部分线性递减至0分。
(5)完成动作时间在100秒内，误差≤±25秒，超时或时间过短则线性递减至0分。
6、菱形航线平移：
(1)飞行姿态，倾斜误差≤15°，超出部分线性递减至0分。
(2)运动时机头方向误差≤±15°，超出部分线性递减至0分。
(3)高度误差≤±1.5m，超出部分线性递减至0分。
(4)偏移误差≤1.5m，超出部分线性递减至0分。
(5)动作完成时间在130秒内，±30秒，超时或时间过短则线性递减至0分。
7、着陆：
(1)接地不够平稳，轻微弹跳现象不超过2次，否则该项0分。
(2)接地时倾斜角≤5°，超出部分线性递减至0分。
(3)接地位置距离中心点≤1m，超出部分线性递减至0分。
(4)完成动作时间在15秒内，误差±10秒，超时或时间过短则线性递减至0分。
五、总体评分规则：
1、以5分制评定成绩，满分为5分，3分以上为及格。
2、单个动作中的某一小项误差超出3分标准时，该小项不得分。
3、单个动作的成绩评定，按每个小项得分，累积后除以项目数，平均值为单个动作的成绩，保留小数点后面2位。
4、综合成绩评定为7个单个动作成绩累积的平均值，保留小数点后面2位。
5、气象条件系数。考试前用标准测风仪测试风速，并在所得综合成绩基础上乘以气象条件系数：
风速≤4m /s，系数为1；
风速4m-5.9m /s，系数为1.05；
风速6m-7.9m /s，系数为1.1；
风速8m-10m /s，系数为1.15。
采用上述技术方案，本系统能够进行培训内容的现场教学演示，包括确动作示范和偏差动作示范，并辅之与语音指导，相对于常规的视频和PPT教学，提高了学员的接受度，且通过系统自动进行示范，标准化程度高，不需要经验丰富的老师进行，也节约了人力。
其次，本系统能进行培训内容和考试内容的现场练习，通过飞控模块，对无人机的飞行状态信息进行收集，并结合培训规则进行自动打分，能够快速有针对性的提高学院的警用无人机驾驶能力，通过无人机管理中心，能够对无人机培训实时大数据呈现和无人机培训过程的全面管控。
另外，本系统能够作为警用无人机的考试系统，培训场地作为考场使用，实现了警用无人机考试的标准化、流程化，提高了考核的效率。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原理之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种警用无人机培训系统，其特征在于：包括以下部分：
培训用无人机；
飞控模块，用于获取无人机的飞行状态信息，所述飞行状态信息包括飞行姿态、速度以及位置信息；
管理模块，包括模拟飞行控制单元和信息管理单元，所述模拟飞行控制单元自动控制无人机进行现场飞行演示；所述信息管理单元通过远程获取无人机的飞行状态信息来实时监控无人机的飞行状态，并将从飞控模块获取的飞行状态信息与培训规则进行对比，对培训进行打分并得出飞行训练中所存在的问题；
所述飞控模块包括处理器单元、用于获取无人机倾角的陀螺仪、用于获取无人机速度及加速度的加速器、用于获取无人机方位的电子罗盘、用于获取无人机高度的气压计以及对无人机位置进行定位的RTK差分定位系统。
2.根据权利要求1所述的警用无人机培训系统，其特征在于：所述现场飞行演示包括培训大纲全套动作的标准示范、培训大纲单个动作的标准示范以及考试规定动作的标准示范的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的警用无人机培训系统，其特征在于：教练通过无人机遥控器控制无人机进行演示，模拟飞行控制单元记录遥控器的控制信息并形成控制命令，通过记录的控制命令进行所述现场飞行示范。
4.根据权利要求1所述的警用无人机培训系统，其特征在于：所述现场飞行演示包括正确动作示范和偏差动作示范。
5.根据权利要求1所述的警用无人机培训系统，其特征在于：所述信息管理单元监控获取培训中无人机的飞行状态信息，并对比培训规则对学员进行语音提示和/或指导，信息管理单元对学员的飞行状况进行阶段性的统计形成统计信息，所述统计信息包括培训人员身份、培训进程、培训分数、培训时间以及每次飞行的轨迹。
6.根据权利要求1所述的警用无人机培训系统，其特征在于：所述管理模块包括以下部分：
地面站，所述地面站设于培训场地，所述地面站实时获取无人机的飞行状态信息，同时根据培训规则要求，全自动的对培训进行打分并得出飞行训练中所存在的问题；
无人机数据云，作为无人机飞行数据的存储、转发和分析的大数据中心；
无人机管理中心，远程对无人机培训实时大数据呈现和无人机培训过程的全面管控；
所述地面站通过3G/4G网络与无人机数据云连接并将飞行状态信息传输给无人机数据云，无人机数据云将飞行状态信息以及所统计到的统计信息通过互联网发送给远端的无人机管理中心。
7.根据权利要求6所述的警用无人机培训系统，其特征在于：所述培训系统包括多个培训场地，每个考场设置有地面站和若干考试用无人机，所述地面站为若干带地面站客户端的电脑，电脑通过无线数据通讯链路实时获取无人机的飞行状态信息并显示在地面站客户端的显示界面上，电脑对飞行状态信息进行实时处理和运算并对培训情况进行评价。
8.根据权利要求7所述的警用无人机培训系统，其特征在于：所述无人机管理中心设置有管理中心客户端；
地面站客户端以及管理中心客户端皆通过基于GatewayWorker和Yii2两种php框架实现业务逻辑，通过使用GatewayWorker实现socket服务的监听，以及实时监控功能中数据的转发，通过使用Yii2框架来实现系统管理功能，通过使用Mysql数据库实现数据的存储以及汇总；
所述管理中心客户端使用问答式协议并对单个无人机设置唯一标识；所述管理中心客户端包括记录模块和大数据统计模块，所述记录模块对无人机数据以及操作日志进行记录的，所述大数据统计模块对统计信息进行统计。
9.根据权利要求1所述的警用无人机培训系统，其特征在于：所述培训系统还包括考试模式，管理模块中记录有考试规则，管理模块将从飞控模块获取的飞行状态信息与考试规则进行对比评分，进而得出考试成绩。
10.根据权利要求1所述的警用无人机培训系统，其特征在于：所述处理器单元包括主处理器和协处理器，所述主处理器的型号为STM32F427，所述协处理器的型号为STM32F100，加速器及陀螺仪型号为MPU6000，电子罗盘型号为LS303D，气压计型号为MS5611。
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