CN114187799A - 一种操作手训练仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及操作手训练技术领域，具体涉及一种操作手训练仿真系统及方法，其中，系统包括：目标轨迹仿真模块，用于根据场外实验数据和目标运动特征建立仿真模型进行目标轨迹仿真，获得训练所需要的目标轨迹；视景仿真模块，用于进行场景渲染，创建虚拟场景；三维模型建模模块，用于构建虚拟场景中的虚拟对象；操控台，所述操控台包括单杆和按钮；控制器，所述控制器用于测定被仿真设备传动系统的传递函数，所述控制器用于根据传递函数辨识出受控对像模型，所述控制器用于根据控制性能要求设计控制算法，所述控制器用于储存控制算法和受控对象模型。本发明解决了现有技术训练操作手的效率低、成本高、再现性差的技术问题。

Description

一种操作手训练仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及操作手训练技术领域，具体涉及一种操作手训练仿真系统及方法。

背景技术

随着无人机技术的日趋成熟，无人机驾驶员的需求量也在不断增加。为了提高无人机驾驶员的操控能力，可以采用外场实飞进行训练，这需要消耗大量的时间、人力和物力成本，在任务模拟、天气条件、时间条件以及安全条件方面均存在一定的局限性，无法快速培养大量无人机驾驶员。

与此同时，光电吊舱是光电侦察装备中的重要组成部分，也是无人机侦察的核心装备，其载体可以为无人机，也可以为车辆、舰艇等，可以广泛用于陆地、海上、空中和空间侦察。为了保证真实工作任务中的工作质量，还有必要提高光电经纬仪、光电吊舱等各种光电跟踪设备的操作手的手动跟踪水平，故而，也需要对操作手进行手动跟踪训练。如果进行外场训练，在实际的工作场景中，操作手的训练过程会受到设备、场地、时间、天气等各种条件的严格限制，使得操作手的训练过程效率低、成本高，也会使得训练过程复现难、再现难、可重复性差。鉴于此，市面上出现了虚拟目标、虚拟空间背景、真实设备的半实物仿真平台，将其作为操作手的训练平台，但是训练效率、训练成本等改善仍然不明显，无法进行推广。因此，设计出训练效率高、训练成本低、训练过程可以复现的虚拟或半虚拟的操作手训练平台具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种操作手训练仿真系统及方法，解决了现有技术训练操作手的效率低、成本高、再现性差的技术问题。

本发明提供的基础方案为：一种操作手训练仿真系统，包括：

目标轨迹仿真模块，所述目标轨迹仿真模块用于根据场外实验数据和目标运动特征建立仿真模型进行目标轨迹仿真，获得训练所需要的目标轨迹；

视景仿真模块，所述视景仿真模块用于进行场景渲染，创建虚拟场景；

三维模型建模模块，所述三维模型建模模块用于构建虚拟场景中的虚拟对象，所述虚拟对象包括被控设备和目标；

操控台，所述操控台包括单杆和按钮，所述单杆用于输入单杆信号到控制器，所述按钮用于输入按钮信号选择仿真功能和仿真模式；

控制器，所述控制器用于测定被仿真设备传动系统的传递函数，所述控制器用于根据传递函数辨识出受控对像模型，所述控制器用于根据控制性能要求设计控制算法，所述控制器用于储存控制算法和受控对象模型，所述控制器的输入端用于接收单杆信号，所述控制器的输出端用于输出位置信号到被控设备。

本发明的工作原理及优点在于：在本方案中，当需要训练操作手时，操作手可以操作操控台上的单杆和按钮，操作手通过单杆输入单杆信号作为控制器的输入信号，操作手通过按钮输入按钮信号可以选择仿真功能和仿真模式；控制器的输入端接收单杆信号之后，经过控制器储存的控制算法和受控对象模型处理，控制器的输出端输出被控设备的位置信号，这个位置信号可以控制被控设备沿着目标轨迹进行运动。

由于，被控设备是在虚拟场景中所构建的虚拟对象，目标轨迹是根据场外实验数据和目标运动特征建立的仿真模型进行目标轨迹仿真所得到的，因此，整个训练过程是在创建的虚拟场景中进行的，整个训练过程的环境是可控的，相较于外场训练来说，操作手的训练过程不会受到实际场景中场地、天气等各种不可控条件的严格限制，故而，提高了训练过程复现性、再现性和可重复性；此外，相较于外场训练来说，操作手不需要前往场外进行训练，提高了操作手的训练过程的效率，也不用采用真实的设备来进行训练，降低了训练过程的成本。

本发明被控设备是在虚拟场景中所构建的虚拟对象，目标轨迹是根据场外实验数据和目标运动特征建立的仿真模型进行目标轨迹仿真所得到的，操作手的整个训练过程是在创建的虚拟场景中进行的，使得整个训练过程的环境是可控的，解决了现有技术训练操作手的效率低、成本高、再现性差的技术问题。

进一步，还包括误差生成模块，所述误差生成模块用于根据被仿真设备工作过程中检测出的随机误差的最大值和最小值生成随机数，所述误差生成模块用于输出随机数到受控设备。

有益效果在于：通过随机数与位置信号共同控制被控设备的运动，考虑了被仿真设备工作过程中的随机误差，提高了训练的精确性。

进一步，还包括脱靶量求取模块，所述脱靶量求取模块用于根据目标和被控设备指向的相对位置求解目标的理论脱靶量，所述脱靶量求取模块用于根据理论脱靶量判定操作手的操作训练效果。

有益效果在于：根据目标和被控设备指向的相对位置求解出的目标的理论脱靶量能够精确地评价操作手的操作训练效果，有利于针对性改进训练过程。

进一步，所述视景仿真模块还用于进行场景渲染，创建与实际光学成像系统视场大小相符、成像特性相同的虚拟场景。

有益效果在于：创建得到的虚拟场景与实际光学成像系统视场大小相符、成像特性相近，避免了虚拟场景与实际光学成像系统的尺度量级和成像特性出现差异，确保了虚拟场景与实际光学成像系统的相似性，提高了训练的精确性。

进一步，所述三维模型建模模块用于使用MultiGen-Creator软件构建虚拟场景中的虚拟对象。

进一步，所述视景仿真模块用于使用MultiGen-Vega软件进行场景渲染，创建虚拟场景。

进一步，所述误差生成模块用于使用MATLAB软件根据被仿真设备工作过程中检测出的随机误差的最大值和最小值生成随机数。

基于上述公开的一种操作手训练仿真系统，本发明还提供一种操作手训练仿真方法，包括：

S1、根据场外实验数据和目标运动特征建立仿真模型进行目标轨迹仿真，获得训练所需要的目标轨迹；

S2、进行场景渲染，创建虚拟场景；

S3、构建虚拟场景中的虚拟对象，所述虚拟对象包括被控设备和目标；

S4、测定被仿真设备传动系统的传递函数，根据传递函数辨识出受控对像模型，根据控制性能要求设计控制算法，将控制算法和受控对象模型储存在控制器中；

S5、操作手通过单杆输入单杆信号到控制器，进行操作手操作训练。

本发明的工作原理及优点在于：被控设备是在虚拟场景中所构建的虚拟对象，目标轨迹是根据场外实验数据和目标运动特征建立的仿真模型进行目标轨迹仿真所得到的，整个训练过程是在创建的虚拟场景中进行的，整个训练过程的环境是可控的，进行操作手的操作训练时，操作手只需要通过单杆输入单杆信号到控制器即可，相较于外场训练来说，操作手的训练过程不会受到实际场景中各种不可控条件的限制，提高了训练过程复现性、再现性和可重复性，而且，操作手不需要前往场外进行训练，提高了操作手的训练过程的效率，降低了训练过程的成本。

进一步，还包括S6，根据被仿真设备工作过程中检测出的随机误差的最大值和最小值生成随机数，并输出随机数到受控设备。

有益效果在于：通过随机数与位置信号共同控制被控设备的运动，考虑了被仿真设备工作过程中的随机误差，提高了训练的精确性。

进一步，还包括S7，根据目标和被控设备指向的相对位置求解目标的理论脱靶量，根据理论脱靶量判定操作手的操作训练效果。

有益效果在于：根据目标和被控设备指向的相对位置求解出的目标的理论脱靶量能够精确地评价操作手的操作训练效果，有利于针对性改进训练过程。

附图说明

图1为本发明一种操作手训练仿真系统实施例的系统结构框图。

图2为本发明一种操作手训练仿真系统实施例的示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例1

实施例基本如附图1所示，包括：

目标轨迹仿真模块，所述目标轨迹仿真模块用于根据场外实验数据和目标运动特征建立仿真模型进行目标轨迹仿真，获得训练所需要的目标轨迹；

视景仿真模块，所述视景仿真模块用于进行场景渲染，创建虚拟场景；

三维模型建模模块，所述三维模型建模模块用于构建虚拟场景中的虚拟对象，所述虚拟对象包括被控设备和目标；

操控台，所述操控台包括单杆和按钮，所述单杆用于输入单杆信号到控制器，所述按钮用于输入按钮信号选择仿真功能和仿真模式；

控制器，所述控制器用于测定被仿真设备传动系统的传递函数，所述控制器用于根据传递函数辨识出受控对像模型，所述控制器用于根据控制性能要求设计控制算法，所述控制器用于储存控制算法和受控对象模型，所述控制器的输入端用于接收单杆信号，所述控制器的输出端用于输出位置信号到被控设备。

在本实施例中，目标轨迹仿真模块、视景仿真模块、三维模型建模模块均集成在计算机主机上，通过软件/程序/代码/计算机指令实现其功能，如附图1所示，操控台与控制器信号连接，控制器与计算机主机信号连接，计算机主机还连接有辅助设备(鼠标和键盘)和显示器。

在本方案中，参见附图2进行理解，具体实施过程如下：首先，目标轨迹仿真模块根据场外实验数据和目标运动特征建立仿真模型进行目标轨迹仿真，获得训练所需要的目标轨迹，目标轨迹包括位置、姿态等。然后，视景仿真模块进行场景渲染，创建虚拟场景，视景仿真模块使用MultiGen-Vega软件进行场景渲染，创建与实际光学成像系统视场大小相符、成像特性相同的虚拟场景，防止虚拟场景与实际光学成像系统的尺度量级和成像特性出现差异，确保虚拟场景与实际光学成像系统的相似性，以提高训练的精确性。接着，三维模型建模模块构建虚拟场景中的虚拟对象，所述虚拟对象包括被控设备和目标，三维模型建模模块使用MultiGen-Creator软件构建虚拟场景中的虚拟对象，构建出的虚拟对象包括被控设备、目标、地形等，也就是说，将原始虚拟目标运动场景处理成虚拟场景。再接着，控制器测定被仿真设备传动系统的传递函数，控制器根据传递函数辨识出受控对像模型，控制器根据控制性能要求设计控制算法，控制器储存控制算法和受控对象模型。最后，操作手通过单杆输入单杆信号到控制器，进行操作手操作训练，操控台包括单杆和按钮，单杆用于输入单杆信号到控制器，按钮用于输入按钮信号选择仿真功能和仿真模式。

在本方案中，当需要训练操作手时，操作手操作操控台上的单杆和按钮，操作手通过单杆输入单杆信号作为控制器的输入信号，操作手通过按钮输入按钮信号可以选择仿真功能和仿真模式；控制器的输入端接收单杆信号之后，经过控制器储存的控制算法和受控对象模型处理，控制器的输出端输出被控设备的位置信号，这个位置信号可以控制被控设备沿着目标轨迹进行运动。由于，被控设备是在虚拟场景中所构建的虚拟对象，目标轨迹是根据场外实验数据和目标运动特征建立的仿真模型进行目标轨迹仿真所得到的，因此，整个训练过程是在创建的虚拟场景中进行的，整个训练过程的环境是可控的，相较于外场训练来说，操作手的训练过程不会受到实际场景中场地、天气等各种不可控条件的严格限制，故而，提高了训练过程复现性、再现性和可重复性；此外，相较于外场训练来说，操作手不需要前往场外进行训练，提高了操作手的训练过程的效率，也不用采用真实的设备来进行训练，降低了训练过程的成本。

实施例2

与实施例1不同之处仅在于，还包括误差生成模块和脱靶量求取模块，所述误差生成模块和脱靶量求取模块也集成在计算机主机上；所述误差生成模块用于根据被仿真设备工作过程中检测出的随机误差的最大值和最小值生成随机数，所述误差生成模块用于输出随机数到受控设备；所述脱靶量求取模块用于根据目标和被控设备指向的相对位置求解目标的理论脱靶量，所述脱靶量求取模块用于根据理论脱靶量判定操作手的操作训练效果。

当操作手通过单杆输入单杆信号到控制器进行操作训练之后，误差生成模块MATLAB软件根据被仿真设备工作过程中检测出的随机误差的最大值和最小值生成随机数，并输出随机数到受控设备，通过随机数与位置信号共同控制被控设备的运动，考虑被仿真设备工作过程中的随机误差，有利于提高训练的精确性；随后，脱靶量求取模块根据目标和被控设备指向的相对位置求解目标的理论脱靶量，并根据理论脱靶量判定操作手的操作训练效果，从而精确地评价操作手的操作训练效果，有利于针对性改进训练过程。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种操作手训练仿真系统，其特征在于，包括：

目标轨迹仿真模块，所述目标轨迹仿真模块用于根据场外实验数据和目标运动特征建立仿真模型进行目标轨迹仿真，获得训练所需要的目标轨迹；

视景仿真模块，所述视景仿真模块用于进行场景渲染，创建虚拟场景；

三维模型建模模块，所述三维模型建模模块用于构建虚拟场景中的虚拟对象，所述虚拟对象包括被控设备和目标；

操控台，所述操控台包括单杆和按钮，所述单杆用于输入单杆信号到控制器，所述按钮用于输入按钮信号选择仿真功能和仿真模式；

控制器，所述控制器用于测定被仿真设备传动系统的传递函数，所述控制器用于根据传递函数辨识出受控对像模型，所述控制器用于根据控制性能要求设计控制算法，所述控制器用于储存控制算法和受控对象模型，所述控制器的输入端用于接收单杆信号，所述控制器的输出端用于输出位置信号到被控设备。

2.如权利要求1所述的操作手训练仿真系统，其特征在于，还包括误差生成模块，所述误差生成模块用于根据被仿真设备工作过程中检测出的随机误差的最大值和最小值生成随机数，所述误差生成模块用于输出随机数到受控设备。

3.如权利要求1所述的操作手训练仿真系统，其特征在于，还包括脱靶量求取模块，所述脱靶量求取模块用于根据目标和被控设备指向的相对位置求解目标的理论脱靶量，所述脱靶量求取模块用于根据理论脱靶量判定操作手的操作训练效果。

4.如权利要求2或3所述的操作手训练仿真系统，其特征在于，所述视景仿真模块还用于进行场景渲染，创建与实际光学成像系统视场大小相符、成像特性相同的虚拟场景。

5.如权利要求1～4任一项所述的操作手训练仿真系统，其特征在于，所述三维模型建模模块用于使用MultiGen-Creator软件构建虚拟场景中的虚拟对象。

6.如权利要求1～4任一项所述的操作手训练仿真系统，其特征在于，所述视景仿真模块用于使用MultiGen-Vega软件进行场景渲染，创建虚拟场景。

7.如权利要求1～4任一项所述的操作手训练仿真系统，其特征在于，所述误差生成模块用于使用MATLAB软件根据被仿真设备工作过程中检测出的随机误差的最大值和最小值生成随机数。

8.一种操作手训练仿真方法，其特征在于，包括：

S1、根据场外实验数据和目标运动特征建立仿真模型进行目标轨迹仿真，获得训练所需要的目标轨迹；

S2、进行场景渲染，创建虚拟场景；

S3、构建虚拟场景中的虚拟对象，所述虚拟对象包括被控设备和目标；

S4、测定被仿真设备传动系统的传递函数，根据传递函数辨识出受控对像模型，根据控制性能要求设计控制算法，将控制算法和受控对象模型储存在控制器中；

S5、操作手通过单杆输入单杆信号到控制器，进行操作手操作训练。

9.如权利要求8所述的操作手训练仿真方法，其特征在于，还包括S6，根据被仿真设备工作过程中检测出的随机误差的最大值和最小值生成随机数，并输出随机数到受控设备。

10.如权利要求9所述的操作手训练仿真方法，其特征在于，还包括S7，根据目标和被控设备指向的相对位置求解目标的理论脱靶量，根据理论脱靶量判定操作手的操作训练效果。

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