CN113593357A - 基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统和方法，所述系统包括相互连接的无人机实装操控系统和无人机飞行仿真系统，其中，所述无人机实装操控系统作为实际系统，所述无人机飞行仿真系统作为人工系统；所述无人机实装操控系统包括任务控制柜、任务监控模块和图像显示模块所述无人机飞行仿真系统用于建立无人机的飞行仿真模型，所述飞行仿真模型包括飞行动力学模型、发动机系统模型和飞行控制系统模型；所述无人机操控训练仿真系统通过所述无人机实装操控系统和所述无人机飞行仿真系统之间的数据交互，以及所述无人机实装操控系统的人机交互实现操控人员的模拟训练。

Description

基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统和方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及一种基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统和方法。

背景技术

无人机是一种动力驱动，机上无人驾驶，可重复使用的航空器，主要用于战场侦察、毁伤评估、火力攻击、通信监听、电子干扰、远程火力校射等方面，是提高我军远程、精准打击能力、电子战争能力的重要手段。虽然无人机有诸多优点，但其想要在战场上发挥出应有效能，还需要进行大量的操控训练。使用实装无人机进行训练必然会使风险和成本剧增。首先，如果学员在训练时操作不当，或因飞机本身发生故障人员来不及处置，很可能导致飞机坠毁。其次，每使用实装无人机组织一次训练，均会消耗大量人力物力，其中包括对无人机飞行员、地勤人员的使用，还包括无人机燃油、耗材的消耗，以及无人机机体和系统的磨损。特别是某些无人机的发动机寿命有限且成本高昂，使无人机训练费用高居不下。综上所述，实装无人机操控训练并不适合日常的学员教学培训。

基于以上情况，无人机的模拟训练应运而生。模拟训练可详细定义为：通过模拟训练系统实现相应的训练环境、作战过程、以及武器装备作战效应，进行军事训练、军事作战演练或战法研究等。无人机模拟训练系统包含无人机机体模拟、操作模拟和训练管理三大部分，可以模拟出无人机所处的战场环境，让无人机受训人员在模拟环境中进行作战全过程的训练，并模拟使用机载设备进行目标侦察、跟踪、定位、打击等任务操作，从而进一步支持战法推演。采用无人机模拟训练系统开展训练，可以在不使用实装的情况下，使受训人员在模拟环境中进行操控训练，从而了解真实无人机的技战术性能，掌握操控方法。利用模拟训练器材开展相关科目模拟训练是解决实装训练安全压力大、保障事项多、工作协调难的有效措施，是装备操作人员领悟装备原理、熟悉操作资源、掌握操作流程的必备手段。

目前常用的一种仿真训练系统是全数字模拟仿真，所有的飞行子系统(包括飞行控制计算机，飞机传感器系统，导航系统和飞机本体模型等)都是由数字模型来模拟实现的，整个飞行控制系统运行在全数字的虚拟模拟环境下。由于在全数字化的虚拟仿真环境下，各飞行系统控制节点模块都进行了数字模型抽象化，对子系统的实现细节进行线性化处理，难以保证与真实物理系统之间的一致性，仿真训练的真实度难以保障。

发明内容

鉴于此，本发明实施例提供了一种基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统和方法，以消除或改善现有技术中存在的一个或更多个缺陷。

本发明的技术方案如下：

根据本发明的一方面，提供了一种基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统，其所述系统包括相互连接的无人机实装操控系统和无人机飞行仿真系统，其中，所述无人机实装操控系统作为实际系统，所述无人机飞行仿真系统作为人工系统；

所述无人机实装操控系统包括任务控制柜、任务监控模块和图像显示模块，所述任务控制柜具有供操控人员操控无人机的操控结构，所述任务监控模块用于显示目标的初步态势，所述图像显示模块用于显示图像；

所述无人机飞行仿真系统用于建立无人机的飞行仿真模型，所述飞行仿真模型包括飞行动力学模型、发动机系统模型和飞行控制系统模型；

所述无人机操控训练仿真系统通过所述无人机实装操控系统和所述无人机飞行仿真系统之间的数据交互，以及所述无人机实装操控系统的人机交互实现操控人员的模拟训练。

在一些实施例中，所述无人机飞行仿真系统建立的所述飞行动力学模型仿真了无人机在火箭推进器推进下的加速爬升和在发动机牵引下的正常爬升、转弯、航线飞行以及圆形、8字型盘旋过程。

在一些实施例中，所述无人机飞行仿真系统还建立有航路规划模型、大气环境及扰流模型、机翼模型、机体模型、平垂尾模型、气动耦合模型，以获得无人机运动方程和无人机飞行参数。

在一些实施例中，所述任务控制柜的操控结构包括按钮和手柄。

在一些实施例中，所述无人机操控训练仿真系统用于模拟实战场景，以研发适应实战的操控指令，推演操控策略。所述无人机操控训练仿真系统用于供操控人员进行模拟实战的规划航路、实施侦查和武器协同。

在一些实施例中，所述无人机操控训练仿真系统用于预估无人机操控人员在操控所述无人机实装操控系统的水平和能力，以达到战法推演以及选拔人才的目的。

根据本发明的另一方面，也提供了一种根据前述的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统实施的无人机操控训练仿真方法，所述方法包括如下步骤：

所述无人机实装操控系统向所述无人机飞行仿真系统发出指令，所述指令通过编码、解码处理后组帧，通过串口，基于真实的通信协议发送至飞行仿真系统；

所述无人机飞行仿真系统通过真实的通信协议接收所述指令并做出相应的行为动作；

评估所述无人机飞行仿真系统的仿真度，并根据得到的仿真度优化所述无人机飞行仿真系统。

在一些实施例中，根据所述无人机飞行仿真系统对所述指令做出的反馈和运行，评估所述指令的合理性和科学性，以优化所述指令。

在一些实施例中，所述任务监控模块通过实时计算或通过网络接收获得目标初步态势数据；

所述任务监控模块采用数字地图，在数字地图上显示目标初步态势、飞机航线、航迹信息。

在一些实施例中，所述图像显示模块通过网络接收数据并进行处理，获得有效图像帧后送至解码器解码并显示在屏幕上，以进行动目标检测，实现目标定位功能。

根据本发明实施例的采用基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统和方法，通过“实装操控系统”和“飞行仿真系统”之间的交互和反馈，可以进一步优化仿真模型精度、提升仿真训练真实度，从而有效提高操控人员的综合能力；根据飞行仿真系统的运行情况，也能对操控指令的可行性和科学性进行评价，进一步研发先进的操控算法，为应对复杂的战场环境做准备。

本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。附图中的部件不是成比例绘制的，而只是为了示出本发明的原理。为了便于示出和描述本发明的一些部分，附图中对应部分可能被放大，即，相对于依据本发明实际制造的示例性装置中的其它部件可能变得更大。在附图中：

图1为本发明一实施例中的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统的结构框图。

图2为本发明一实施例中的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统运行的节本架构图。

图3为本发明一实施例中的无人机飞行仿真系统的结构框图。

图4为本发明一实施例中的无人机实装操控系统的结构示意图。

图5为本发明一实施例中的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真方法的框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

在此，还需要说明的是，如果没有特殊说明，术语“连接”在本文不仅可以指直接连接，也可以表示存在中间物的间接连接。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明提供了一种基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统和方法，目的是提高无人机仿真训练真实度，并进行战术推演等。

平行系统是指由某一个自然的现实系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工系统组成的共同系统。平行系统的主要目的，是通过实际系统和人工系统的相互连接，对二者之间的行为进行比对和分析，完成对各自未来状况的“借鉴”和“预估”，相应地调节各自的管理与控制方式，达到实施有效解决方案以及学习和培训的目的。该系统基于平行系统理论，基本框架主要包括无人机实装操控系统10和无人机飞行仿真系统20。

根据本发明的一方面，如图1所示，本发明实施例的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统是基于平行系统理论，由无人机飞行仿真系统20和无人机实装操控系统10构成。其中，无人机实装操控系统10作为实际系统，无人机飞行仿真系统20作为人工系统。无人机操控训练仿真系统通过无人机实装操控系统10和无人机飞行仿真系统20之间的数据交互，以及无人机实装操控系统10的人机交互实现操控人员的模拟训练。

在一些实施例中，无人机实装操控系统10包括任务控制柜11、任务监控模块12和图像显示模块13，任务控制柜11具有供操控人员操控无人机的操控结构，任务监控模块12用于显示目标的初步态势，图像显示模块13用于显示图像。

在一些实施例中，无人机飞行仿真系统20用于建立无人机的飞行仿真模型，飞行仿真模型包括飞行动力学模型21、发动机系统模型22和飞行控制系统模型23；

在一些实施例中，基于平行系统理论的无人机仿真训练系统的基本框架主要包括无人机实装操控系统和无人机飞行仿真系统，通过二者的相互作用，实现学习培训、实验与评估、管理与控制的主要功能。主要过程如图2所示：

一、实现学习与培训功能。无人机操控人员通过该仿真训练系统的模拟训练，可以学习无人机系统的管理和操控经验，迅速掌握无人机操控方法，提高应变能力；同时通过虚拟仿真训练，模拟实战场景，研发和探索出适应实战的操控指令，推演出更先进的操控策略及算法。所述无人机操控训练仿真系统用于供操控人员进行模拟实战的规划航路、实施侦查和武器协同。

二、实现实验与评估功能。基于该平行系统，可以对无人机飞行仿真系统20和操控指令做双向实验与评估。无人机飞行仿真系统20的实验与评估：无人机实装操控系统10发出指令，通过真实的通信协议指挥无人机飞行仿真系统20做出相应的行为动作，从而可以观察和评估无人机仿真动力系统的仿真度，并根据反馈优化仿真系统；操控指令的实验与评估：通过观察无人机飞行仿真系统20对指令做出的反馈和运行，可以评估操控指令的合理性和科学性，总结经验，不断优化无人机操控指令。

三、实现管理与控制功能。通过无人机实装操控系统10和无人机飞行仿真系统20之间的虚实互动，形成闭环反馈机制，可以预估无人机操控指令的科学性和无人机操控人员在操控实装无人机系统的水平和能力，达到战法推演以及选拔出更优秀的人才的目的。

在一些实施例中，无人机飞行仿真系统20建立了某型无人机的飞行仿真模型，仿真了其在火箭推进器推进下加速爬升和在发动机牵引下正常爬升、转弯、航线飞行以及圆形、8字型盘旋等过程。

在一些实施例中，无人机飞行仿真系统20还建立有航路规划模型、大气环境及扰流模型、机翼模型、机体模型、平垂尾模型、气动耦合模型，以获得无人机运动方程和无人机飞行参数。

例如，无人机飞行仿真系统20各主要模型的关系及工作流程如图3所示。根据航路规划模型获得飞行控制系统模型23，根据大气环境及扰流模型，再结合上无人机的动力系统模型、机翼模型、机体模型、平垂尾模型等以及气动耦合模型获得无人机运动方程，最终获得无人机飞行参数，并将无人机飞行参数传输至其余与之关联的系统。无人机飞行参数也可反馈至飞行控制系统模型23、大气环境及扰流模型或无人机的动力系统模型、机翼模型、机体模型、平垂尾模型等，以进行调整。无人机的动力系统模型、机翼模型、机体模型、平垂尾模型的相关参数也可进行关联调整。

在一些实施例中，某型无人机实装操控系统10由任务控制柜11、任务监控模块12、图像显示模块13等组成。某型无人机实装操控系统10如图4所示。任务监控模块12可位于任务控制柜11的上部，图像显示模块13可位于任务控制柜11的中部，操控结构可位于任务控制柜11的下部。

任务监控模块12采用军用标准交换格式数字地图，通过实时计算或通过网络接收获得目标初步态势数据，在电子地图背景上显示目标初步态势及飞机航线、航迹等信息。图像显示模块13通过网络接收数据并进行处理，获得有效图像帧后送至解码器解码并显示至屏幕，能够进行动目标检测，具有目标定位等功能。在一些实施例中，任务控制柜11的操控结构包括按钮和手柄。具体实施时，无人机实装操控系统10可采用现有技术中的真实的无人机任务控制柜11，并采用真实的通信协议、网络与“无人机飞行仿真系统20”的仿真计算机进行连接。

综上，采用基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统，通过“无人机实装操控系统”和“无人机飞行仿真系统”之间的交互和反馈，可以进一步优化仿真模型精度、提升仿真训练真实度，从而有效提高操控人员的综合能力；根据无人机飞行仿真系统的运行情况，也能对操控指令的可行性和科学性进行评价，进一步研发更加先进的操控算法，为应对复杂的战场环境做准备。

根据本发明的另一方面，也提供了一种根据前述无人机操控训练仿真系统实施的无人机操控训练仿真方法，如图5所示，所述方法包括如下步骤：

S100：无人机实装操控系统向无人机飞行仿真系统发出指令(或操控指令)；

S200：无人机飞行仿真系统通过真实的通信协议接收指令并做出相应的行为动作；

S300：评估无人机飞行仿真系统的仿真度，并根据得到的仿真度优化无人机飞行仿真系统20。

在该实施例中，所述无人机实装操控系统向所述无人机飞行仿真系统发出指令，指令通过编码、解码处理后组帧，通过RS232串口，基于真实的通信协议发送至飞行仿真系统，实现控制指令的传递，所述无人机飞行仿真系统接收到所述控制指令，做出相应的行为动作。

在该实施例中，上述步骤是为了优化仿真模型精度、提升仿真训练真实度。例如指令和相应的行为可以是对目标进行战场侦察、毁伤评估、火力攻击、通信监听、电子干扰、远程火力校射等。

在另一实施例中，为优化无人机的操控指令，可进行步骤：根据无人机飞行仿真系统对指令做出的反馈和运行，评估指令的合理性和科学性，以优化指令。通过观察无人机飞行仿真系统对指令做出的反馈和运行，可以评估操控指令的合理性和科学性，总结经验，不断优化无人机操控指令，以优化整个无人机飞行仿真系统。

根据本发明的再一方面，也提供了一种根据前述无人机操控训练仿真系统实施的无人机操控训练仿真方法，方法包括如下步骤：

任务监控模块通过实时计算或通过网络接收获得目标初步态势数据；

任务监控模块采用数字地图，在数字地图上显示目标初步态势、飞机航线、航迹信息。

在上述实施例中，任务监控模块可采用军用标准交换格式数字地图，在数字地图上显示的目标初步态势可为实时态势数据，例如敌方行进方向预测、敌方行为意图预测等。

在另一实施例中，图像显示模块通过网络接收数据并进行处理，获得有效图像帧后送至解码器解码并显示在屏幕上，以进行动目标检测，实现目标定位功能。图像显示模块13可显示的无人机仿真的图像设备获得的实时图像信息。

根据本发明实施例的采用基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统和方法，通过“实装操控系统”和“飞行仿真系统”之间的交互和反馈，可以进一步优化仿真模型精度、提升仿真训练真实度，从而有效提高操控人员的综合能力；根据飞行仿真系统的运行情况，也能对操控指令的可行性和科学性进行评价，进一步研发先进的操控算法，为应对复杂的战场环境做准备。

本领域普通技术人员应该可以明白，结合本文中所公开的实施方式描述的各示例性的组成部分、系统和方法，能够以硬件、模块或者二者的结合来实现。具体究竟以硬件还是模块方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以模块方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RF)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

还需要说明的是，本发明中提及的示例性实施例，基于一系列的步骤或者装置描述一些方法或系统。但是，本发明不局限于上述步骤的顺序，也就是说，可以按照实施例中提及的顺序执行步骤，也可以不同于实施例中的顺序，或者若干步骤同时执行。

模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本发明中，针对一个实施方式描述和/或例示的特征，可以在一个或更多个其它实施方式中以相同方式或以类似方式使用，和/或与其他实施方式的特征相结合或代替其他实施方式的特征。

以上所述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，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统，其特征在于，所述系统包括相互连接的无人机实装操控系统和无人机飞行仿真系统，其中，所述无人机实装操控系统作为实际系统，所述无人机飞行仿真系统作为人工系统；

所述无人机实装操控系统包括任务控制柜、任务监控模块和图像显示模块，所述任务控制柜具有供操控人员操控无人机的操控结构，所述任务监控模块用于显示目标的初步态势，所述图像显示模块用于显示图像；

所述无人机飞行仿真系统用于建立无人机的飞行仿真模型，所述飞行仿真模型包括飞行动力学模型、发动机系统模型和飞行控制系统模型；

所述无人机操控训练仿真系统通过所述无人机实装操控系统和所述无人机飞行仿真系统之间的数据交互，以及所述无人机实装操控系统的人机交互实现操控人员的模拟训练。

2.根据权利要求1所述的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统，其特征在于，所述无人机飞行仿真系统建立的所述飞行动力学模型仿真了无人机在火箭推进器推进下的加速爬升和在发动机牵引下的正常爬升、转弯、航线飞行以及圆形、8字型盘旋过程。

3.根据权利要求2所述的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统，其特征在于，所述无人机飞行仿真系统还建立有航路规划模型、大气环境及扰流模型、机翼模型、机体模型、平垂尾模型、气动耦合模型，以获得无人机运动方程和无人机飞行参数。

4.根据权利要求1所述的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统，其特征在于，所述任务控制柜的操控结构包括按钮和手柄。

5.根据权利要求3所述的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统，其特征在于，所述无人机操控训练仿真系统用于模拟实战场景，以研发适应实战的操控指令，推演操控策略；

所述无人机操控训练仿真系统用于供操控人员进行模拟实战的规划航路、实施侦查和武器协同。

6.根据权利要求3所述的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统，其特征在于，所述无人机操控训练仿真系统用于预估无人机操控人员在操控所述无人机实装操控系统的水平和能力，以达到战法推演以及选拔人才的目的。

7.一种根据权利要求1至6中任一项所述的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统实施的无人机操控训练仿真方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

所述无人机实装操控系统向所述无人机飞行仿真系统发出指令，所述指令通过编码、解码处理后组帧，通过串口，基于真实的通信协议发送至飞行仿真系统；

所述无人机飞行仿真系统通过真实的通信协议接收所述指令并做出相应的行为动作；

评估所述无人机飞行仿真系统的仿真度，并根据得到的仿真度优化所述无人机飞行仿真系统。

8.根据权利要求7所述的无人机操控训练仿真方法，其特征在于，

根据所述无人机飞行仿真系统对所述指令做出的反馈和运行，评估所述指令的合理性和科学性，以优化所述指令。

9.一种根据权利要求1至6中任一项所述的基于平行系统理论的无人机操控训练仿真系统实施的无人机操控训练仿真方法，其特征在于，

所述任务监控模块通过实时计算或通过网络接收获得目标初步态势数据；

所述任务监控模块采用数字地图，在数字地图上显示目标初步态势、飞机航线、航迹信息。

10.根据权利要求9所述的无人机操控训练仿真方法，其特征在于，

所述图像显示模块通过网络接收数据并进行处理，获得有效图像帧后送至解码器解码并显示在屏幕上，以进行动目标检测，实现目标定位功能。

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