Vol. 34, No. 10
Oct, 2009
火力与指挥控制
Fire Control &C om man d Con trol
第34卷 第10期2009年10月
文章编号:1002-0640(2009) 10-0153-03
无人机模拟训练系统的半实物仿真设计
苏继杰, 郑 幸, 孙 烨, 傅小进
1, 2
1, 2
1, 2
2
(1. 华中科技大学, 湖北 武汉 430074, 2. 武汉军械士官学校, 湖北 武汉 430075)
摘 要:无人机模拟训练系统用于进行无人机飞行前地面调试及飞行中操纵监控的模拟。以数学模型、实物模型、仿真计算机、仿真软件和其他辅助设备等为一体, 构建半实物仿真无人机训练系统。阐述了基于半实物仿真技术的无人机模拟训练系统的功能和结构, 具体说明了系统的仿真模块算法、设计及关键技术的实现途径。
关键词:模拟训练, 半实物, 视景仿真
中图分类号:T P 391. 9 文献标识码:A
The Hardware -in -the -Loop -Simulation for UAV Training System
SU Ji-jie 1, 2, ZHENG Xing 1, 2, SUN Ye 1, 2, FU Xiao -jin 2
(1. H uaz hong U niver sity of S cience and T echnology , W uhan 430074, China , 2. W uhan Or dnancy N on -Commissioned Of f icer A cadem y P L A , W uhan 430075, China )
Abstract :The function of the simulativ e U AV Training Sy stem is to sim ulate ground debug ging before aviatio n and control surv eillance in aviatio n . M athematical mo del , actual m odel , simulative co mputer , sim ulative so ftw are and other accessor ial equipm ents ar e contained tog ether to build a Hardw are-in-the-Loop-Sim ulation for U AV Training System. The functio n and structure of a UAV simulative training sy stem base on Hardw ar e -in -the -Loop technolo gy , the systemic simulative arithmetic , desig n and the approach of key technolog y are ex patiated in this paper.
Key words :simulated training , U AV hardw ar e -in -the -loop , visual scenery simulatio n
引 言
系统仿真是利用科学方法构造能够足以反映实际系统表征和基本特性的模型, 以达到开展系统实验、分析、研究的目的。随着技术的不断发展, 系统仿真已经被广泛应用于各种大型武器平台研制、生产和训练中。
可进行目标定位和炸点校射训练; 监控人员可通过综合训练控制软件对飞行进行故障设定, 以训练处
理紧急情况的能力, 同时可对训练情况进行监控和评估。其组成包括系统地面控制模拟和系统机载模拟两大部分。训练系统主要由多台功能不同的仿真计算机组成, 通过分布式网络通讯, 传送信息流, 实现对地面控制设备和无人机及任务设备控制和状态的监控。如下页图1所示。
¹模拟机载系统地面检测程式训练, 包括单体设备检测、各分级检测、系统检测等; º进行无人机操纵飞行模拟训练; 可设置各种飞行环境、飞行方案; 能模拟飞行准备、地面检查、起飞爬升、近场调飞、远距飞行、天线跟踪(丢失、搜索、捕获和自动跟踪) 、平台控制、伞降回收、飞机自毁等飞行的全过程; »进行无人机任务控制模拟训练, 包括照相、电视和红外侦察, 目标定位、炸点校射; ¼设置训练科目, 进行任一指定科目的训练; ½在模拟飞行中, 改, [3]
1 仿真系统的功能和系统结构
本无人机模拟训练系统可以模拟无人机飞行前
地面检测和无人机实际飞行、稳定平台运动和光电传感器视角变化。在模拟的实际飞行环境下, 训练人员可通过飞行控制软件、领航控制软件、任务控制软件等对“飞行”中的无人机和任务设备进行控制, 并
收稿日期:2008-11-01 修回日期:2008-12-20 作者简介:苏继杰(1965- ) , 男, 辽宁开原人, 博士生, 主
・154・(总第34-
1688) 火力与指挥控制2009年 第10期
为外部扰动考虑进去, 得到有风和大气紊流时的线性化运动方程。
引入风扰动后的无人机纵向小扰动线性化方程为:
=A X +BU +Fd X a
100T
其中:F =-W x
W y /U 0, U 0为沿纵轴方向的空速分量, W x 、W y 和5W z /5x
W z 为风速的3个分量, X =[$V , $A , q , $H ]T , U =D e 。
引入风扰动后的无人机横侧向小扰动线性化方
况进行监控; ¾对训练人员操作情况进行评估。
程为:
X a =A X +BU +Fd
10
0100
W z /u 0
5W y /5z , U 0为沿纵轴方向的空速分量, W x 、W y 和a W z 为风速的3个分量, X =[B , p , W , C ]T ,
T
U =[D a , D r ]。
模块采用PID 控制, 根据系统的输出反馈量与
$V 0$A0$q
=
00
1001
0, d =
2 半物理仿真系统关键技术与实现
2. 1 无人机飞行仿真建模
通过遥控指令改变无人机的飞行姿态。控制人员根据这些不断变化的数据来判断飞行状况和为改
变飞行姿态提供依据, 在本无人机模拟训练系统中, 飞行仿真系统是利用飞机的气动参数、翼型参数、动力参数等建立起飞机的方程和控制律建立数学模型, 以时间为坐标模拟产生飞机的飞行姿态、飞行距离等参数, 用数学仿真的方法仿真出飞控计算机、导航计算机、飞机动力和气动系统、舵机等真实设备, 是整个系统的核心。
2. 1. 1 无人机飞行方程
无人机的小扰动线性化运动方程是在一定条件下得到的以微小偏量为对象的线性化方程, 在建立小扰动线性化方程时, 作了一些假设, 认为大地是不旋转的、平面的; 大气是静止的(当需要研究大气扰动对飞行器运动的影响时, 把大气扰动产生的力或力矩加入到方程中去) ; 认为飞行器是刚体, 不考虑结构弹性形变; 认为在几何外形、质量分布和气动特性方面是对称于飞行器的纵对称平面; 同时假定在基准运动中飞行器的纵对称平面处于铅垂状态, 且飞行器的运动参数不随时间变化, 扰动运动中运动参数的变化量足够小, 以致二阶项可以忽略。由于在进入侦察阶段后, 控制目标以保证观测效果为主, 并不需要无人机作太大的机动动作, 因此上述的假定是符合实际情况的。
2. 1. 2 引入扰动后的方程
在对风及紊流对飞行器运动的影响进行分析后
, [4]
其中:F =
001
0T
$B 0
, d =
$p $r
=
5W z /5z
期望值或给定值的差值作为输入, 通过一定的算法得到一定的控制量, 使得输出跟随输入量的变化。2. 2 飞行控制仿真模块
包括两个部分内容:前端实时处理软件和参数综合显示软件。采用Windo w s 操作系统, LabWindow s /CVI 和VC ++编程来模拟操控界面。
2. 2. 1 前端实时处理软件
¹遥控编码:通过飞行控制操纵台和任务控制操纵台发出的飞行控制、任务控制、数据链管理以及伺服控制指令或数据流; 对各类控制信息及数据进行控制编码。
º遥测解码:接收机载模拟平台产生和发送下来的机载设备采集的遥测信息。
2. 2. 2 参数综合显示软件
主要显示飞机飞行状态信息、机载传感设备信息和数据链状态信息。以图形形式和字符形式进行参数显示。
2. 3 领航控制仿真模块
苏继杰, 等:无人机模拟训练系统的半实物仿真设计
(总第34-1689) ・155・
与航迹地图显示软件。采用Window s 操作系统,
LabWindow s/CVI 和VC ++编程来模拟操控界面。任务规划软件用于完成任务规划设置与修改, 航迹地图显示软件实现地图显示、地图缩放、多方式地图漫游和点位置三维坐标显示。2. 4 视景仿真模块
2. 4. 1 模块组成
本模拟训练系统主要用来模拟无人机训练时飞机和地面上摄像机的视景图像, 因此视景模拟的逼真度以传递足够的摄像机平面视景信息为原则, 不过分追求临场感和沉浸感。所以视景生成设备(成像主机及图形系统) 可选用配置较高的PC 机加上高性能的显卡组成, 显卡要求有双头显示功能。视景显示设备可选用大屏幕液晶显示器或CRT 显示器和高分辨率投影系统。2. 4. 2 软件技术
视景仿真软件采用VC ++和OPENGL 进行开发, 软件运行在Window s 平台, 视景驱动需要实时驱动软件Veg a 和OPENGL 支持。场景数据库开发工具选用M ultiGen Creator 和Vega 。
视景仿真模块, 根据飞行仿真计算机提供的无人机的位姿参数和场景中的地形地貌信息数据, 实时显示三维场景。三维场景是由不同种类的景物构成, 相应的视景仿真环境也是由不同种类的模型来仿真, 不同种类景物的三维仿真的处理各不相同, 在具体实现时需要具体对待。软件中出现的景物模型按照建模方法的不同, 分为以下几个部分:¹无人机视景模型的建模和处理; º大地形的建模和处理; »地表建筑物及目标点的建模和处理[6]; ¼云彩和天空的建模和处理; ½爆炸火焰烟雾等特殊效果的处理。2. 5 机载控制仿真平台
机载控制平台模拟无人机上各机载设备工作状态, 完成无人机飞行前各机载设备联机检测, 并在飞行中响应各控制计算机传送来的控制信号。平台搭建在某型号无人机模型上, 机载设备部分采用实际装备中的设备, 部分用能完成功能的模拟设备替代, 以达到模拟真实装备作训程式的目的。平台结构组成如图2所示。
2. 6 综合训练控制模块
在本模拟训练系统中, 施训人员使用该控制台, 监控训练人员的训练情况。采用Windo ws 操作系统和LabWindow s/CVI 进行操作界面设计, 运用数据库技术对训练科目, 故障点参数以及学员的训练数
[6][5][2]
[5]
图2 机载控制平台结构组成图
¹训练科目设置模块:对训练科目, 环境条件, 侦察目标设置, 飞行航线设置等进行装订。在训练人员训练过程中可以随时设置故障点, 考核训练人员对紧急情况的应变能力。
º训练情况监控模块:可以实时显示飞行过程中的主要参数及训练人员的操控情况, 对不恰当的错误操作行为进行及时纠正。
»成绩评定模块:按照一定的判定规则, 自动对训练人员的训练效果进行记录, 评估和成绩判定。
3 结束语
在实验室利用无人机半实物仿真训练系统, 可以设置不同的初始条件模拟无人机实际飞行状况, 对无人机地面控制系统和机载控制系统实现训练, 也可以在实验室复现无人机实际飞行出现的一些故障现象, 提高训练针对性和应急处理能力。由于无人机半实物仿真训练系统具有较好重复训练性, 节约大量费用和延长装备使用寿命。参考文献:
[1]
王鸿洁, 常国岑, 李学军, 等. 军事通用仿真模型及其集成框架研究[J].系统仿真学报, 2007, 19(3) :486-490.
龙 勇, 黄先祥, 张志利, 等. 基于视景仿真的某型武器分布式模拟系统设计[J].系统仿真学报, 2006, 18(7) :1820-1823.
[3][4]
董居忠, 康风举. 某无人驾驶飞机的半实物仿真[J ]. 航空学报, 1997, 18(2) :157-162.
陈 欣, 夏云程, 董小虎. 一种全数字半物理飞行控制实时仿真系统[J]. 南京航空航天大学学报, 2001, 33(2) :200-202.
林冬生, 郑 幸, 鲍传美. 无人机模拟训练视景仿真系统设计与实现[J ]. 计算机应用, 2007, 27(z 1) :107-108.
N eil R W, N ig el W J, W illiam J C. Simulat ion of U nm anned A ir V ehicle Flo cking [C ]//Pr oceedings o f t he T heo ry and P ractice of Computer Gr aphics, 2003.
Vol. 34, No. 10
Oct, 2009
火力与指挥控制
Fire Control &C om man d Con trol
第34卷 第10期2009年10月
文章编号:1002-0640(2009) 10-0153-03
无人机模拟训练系统的半实物仿真设计
苏继杰, 郑 幸, 孙 烨, 傅小进
1, 2
1, 2
1, 2
2
(1. 华中科技大学, 湖北 武汉 430074, 2. 武汉军械士官学校, 湖北 武汉 430075)
摘 要:无人机模拟训练系统用于进行无人机飞行前地面调试及飞行中操纵监控的模拟。以数学模型、实物模型、仿真计算机、仿真软件和其他辅助设备等为一体, 构建半实物仿真无人机训练系统。阐述了基于半实物仿真技术的无人机模拟训练系统的功能和结构, 具体说明了系统的仿真模块算法、设计及关键技术的实现途径。
关键词:模拟训练, 半实物, 视景仿真
中图分类号:T P 391. 9 文献标识码:A
The Hardware -in -the -Loop -Simulation for UAV Training System
SU Ji-jie 1, 2, ZHENG Xing 1, 2, SUN Ye 1, 2, FU Xiao -jin 2
(1. H uaz hong U niver sity of S cience and T echnology , W uhan 430074, China , 2. W uhan Or dnancy N on -Commissioned Of f icer A cadem y P L A , W uhan 430075, China )
Abstract :The function of the simulativ e U AV Training Sy stem is to sim ulate ground debug ging before aviatio n and control surv eillance in aviatio n . M athematical mo del , actual m odel , simulative co mputer , sim ulative so ftw are and other accessor ial equipm ents ar e contained tog ether to build a Hardw are-in-the-Loop-Sim ulation for U AV Training System. The functio n and structure of a UAV simulative training sy stem base on Hardw ar e -in -the -Loop technolo gy , the systemic simulative arithmetic , desig n and the approach of key technolog y are ex patiated in this paper.
Key words :simulated training , U AV hardw ar e -in -the -loop , visual scenery simulatio n
引 言
系统仿真是利用科学方法构造能够足以反映实际系统表征和基本特性的模型, 以达到开展系统实验、分析、研究的目的。随着技术的不断发展, 系统仿真已经被广泛应用于各种大型武器平台研制、生产和训练中。
可进行目标定位和炸点校射训练; 监控人员可通过综合训练控制软件对飞行进行故障设定, 以训练处
理紧急情况的能力, 同时可对训练情况进行监控和评估。其组成包括系统地面控制模拟和系统机载模拟两大部分。训练系统主要由多台功能不同的仿真计算机组成, 通过分布式网络通讯, 传送信息流, 实现对地面控制设备和无人机及任务设备控制和状态的监控。如下页图1所示。
¹模拟机载系统地面检测程式训练, 包括单体设备检测、各分级检测、系统检测等; º进行无人机操纵飞行模拟训练; 可设置各种飞行环境、飞行方案; 能模拟飞行准备、地面检查、起飞爬升、近场调飞、远距飞行、天线跟踪(丢失、搜索、捕获和自动跟踪) 、平台控制、伞降回收、飞机自毁等飞行的全过程; »进行无人机任务控制模拟训练, 包括照相、电视和红外侦察, 目标定位、炸点校射; ¼设置训练科目, 进行任一指定科目的训练; ½在模拟飞行中, 改, [3]
1 仿真系统的功能和系统结构
本无人机模拟训练系统可以模拟无人机飞行前
地面检测和无人机实际飞行、稳定平台运动和光电传感器视角变化。在模拟的实际飞行环境下, 训练人员可通过飞行控制软件、领航控制软件、任务控制软件等对“飞行”中的无人机和任务设备进行控制, 并
收稿日期:2008-11-01 修回日期:2008-12-20 作者简介:苏继杰(1965- ) , 男, 辽宁开原人, 博士生, 主
・154・(总第34-
1688) 火力与指挥控制2009年 第10期
为外部扰动考虑进去, 得到有风和大气紊流时的线性化运动方程。
引入风扰动后的无人机纵向小扰动线性化方程为:
=A X +BU +Fd X a
100T
其中:F =-W x
W y /U 0, U 0为沿纵轴方向的空速分量, W x 、W y 和5W z /5x
W z 为风速的3个分量, X =[$V , $A , q , $H ]T , U =D e 。
引入风扰动后的无人机横侧向小扰动线性化方
况进行监控; ¾对训练人员操作情况进行评估。
程为:
X a =A X +BU +Fd
10
0100
W z /u 0
5W y /5z , U 0为沿纵轴方向的空速分量, W x 、W y 和a W z 为风速的3个分量, X =[B , p , W , C ]T ,
T
U =[D a , D r ]。
模块采用PID 控制, 根据系统的输出反馈量与
$V 0$A0$q
=
00
1001
0, d =
2 半物理仿真系统关键技术与实现
2. 1 无人机飞行仿真建模
通过遥控指令改变无人机的飞行姿态。控制人员根据这些不断变化的数据来判断飞行状况和为改
变飞行姿态提供依据, 在本无人机模拟训练系统中, 飞行仿真系统是利用飞机的气动参数、翼型参数、动力参数等建立起飞机的方程和控制律建立数学模型, 以时间为坐标模拟产生飞机的飞行姿态、飞行距离等参数, 用数学仿真的方法仿真出飞控计算机、导航计算机、飞机动力和气动系统、舵机等真实设备, 是整个系统的核心。
2. 1. 1 无人机飞行方程
无人机的小扰动线性化运动方程是在一定条件下得到的以微小偏量为对象的线性化方程, 在建立小扰动线性化方程时, 作了一些假设, 认为大地是不旋转的、平面的; 大气是静止的(当需要研究大气扰动对飞行器运动的影响时, 把大气扰动产生的力或力矩加入到方程中去) ; 认为飞行器是刚体, 不考虑结构弹性形变; 认为在几何外形、质量分布和气动特性方面是对称于飞行器的纵对称平面; 同时假定在基准运动中飞行器的纵对称平面处于铅垂状态, 且飞行器的运动参数不随时间变化, 扰动运动中运动参数的变化量足够小, 以致二阶项可以忽略。由于在进入侦察阶段后, 控制目标以保证观测效果为主, 并不需要无人机作太大的机动动作, 因此上述的假定是符合实际情况的。
2. 1. 2 引入扰动后的方程
在对风及紊流对飞行器运动的影响进行分析后
, [4]
其中:F =
001
0T
$B 0
, d =
$p $r
=
5W z /5z
期望值或给定值的差值作为输入, 通过一定的算法得到一定的控制量, 使得输出跟随输入量的变化。2. 2 飞行控制仿真模块
包括两个部分内容:前端实时处理软件和参数综合显示软件。采用Windo w s 操作系统, LabWindow s /CVI 和VC ++编程来模拟操控界面。
2. 2. 1 前端实时处理软件
¹遥控编码:通过飞行控制操纵台和任务控制操纵台发出的飞行控制、任务控制、数据链管理以及伺服控制指令或数据流; 对各类控制信息及数据进行控制编码。
º遥测解码:接收机载模拟平台产生和发送下来的机载设备采集的遥测信息。
2. 2. 2 参数综合显示软件
主要显示飞机飞行状态信息、机载传感设备信息和数据链状态信息。以图形形式和字符形式进行参数显示。
2. 3 领航控制仿真模块
苏继杰, 等:无人机模拟训练系统的半实物仿真设计
(总第34-1689) ・155・
与航迹地图显示软件。采用Window s 操作系统,
LabWindow s/CVI 和VC ++编程来模拟操控界面。任务规划软件用于完成任务规划设置与修改, 航迹地图显示软件实现地图显示、地图缩放、多方式地图漫游和点位置三维坐标显示。2. 4 视景仿真模块
2. 4. 1 模块组成
本模拟训练系统主要用来模拟无人机训练时飞机和地面上摄像机的视景图像, 因此视景模拟的逼真度以传递足够的摄像机平面视景信息为原则, 不过分追求临场感和沉浸感。所以视景生成设备(成像主机及图形系统) 可选用配置较高的PC 机加上高性能的显卡组成, 显卡要求有双头显示功能。视景显示设备可选用大屏幕液晶显示器或CRT 显示器和高分辨率投影系统。2. 4. 2 软件技术
视景仿真软件采用VC ++和OPENGL 进行开发, 软件运行在Window s 平台, 视景驱动需要实时驱动软件Veg a 和OPENGL 支持。场景数据库开发工具选用M ultiGen Creator 和Vega 。
视景仿真模块, 根据飞行仿真计算机提供的无人机的位姿参数和场景中的地形地貌信息数据, 实时显示三维场景。三维场景是由不同种类的景物构成, 相应的视景仿真环境也是由不同种类的模型来仿真, 不同种类景物的三维仿真的处理各不相同, 在具体实现时需要具体对待。软件中出现的景物模型按照建模方法的不同, 分为以下几个部分:¹无人机视景模型的建模和处理; º大地形的建模和处理; »地表建筑物及目标点的建模和处理[6]; ¼云彩和天空的建模和处理; ½爆炸火焰烟雾等特殊效果的处理。2. 5 机载控制仿真平台
机载控制平台模拟无人机上各机载设备工作状态, 完成无人机飞行前各机载设备联机检测, 并在飞行中响应各控制计算机传送来的控制信号。平台搭建在某型号无人机模型上, 机载设备部分采用实际装备中的设备, 部分用能完成功能的模拟设备替代, 以达到模拟真实装备作训程式的目的。平台结构组成如图2所示。
2. 6 综合训练控制模块
在本模拟训练系统中, 施训人员使用该控制台, 监控训练人员的训练情况。采用Windo ws 操作系统和LabWindow s/CVI 进行操作界面设计, 运用数据库技术对训练科目, 故障点参数以及学员的训练数
[6][5][2]
[5]
图2 机载控制平台结构组成图
¹训练科目设置模块:对训练科目, 环境条件, 侦察目标设置, 飞行航线设置等进行装订。在训练人员训练过程中可以随时设置故障点, 考核训练人员对紧急情况的应变能力。
º训练情况监控模块:可以实时显示飞行过程中的主要参数及训练人员的操控情况, 对不恰当的错误操作行为进行及时纠正。
»成绩评定模块:按照一定的判定规则, 自动对训练人员的训练效果进行记录, 评估和成绩判定。
3 结束语
在实验室利用无人机半实物仿真训练系统, 可以设置不同的初始条件模拟无人机实际飞行状况, 对无人机地面控制系统和机载控制系统实现训练, 也可以在实验室复现无人机实际飞行出现的一些故障现象, 提高训练针对性和应急处理能力。由于无人机半实物仿真训练系统具有较好重复训练性, 节约大量费用和延长装备使用寿命。参考文献:
[1]
王鸿洁, 常国岑, 李学军, 等. 军事通用仿真模型及其集成框架研究[J].系统仿真学报, 2007, 19(3) :486-490.
龙 勇, 黄先祥, 张志利, 等. 基于视景仿真的某型武器分布式模拟系统设计[J].系统仿真学报, 2006, 18(7) :1820-1823.
[3][4]
董居忠, 康风举. 某无人驾驶飞机的半实物仿真[J ]. 航空学报, 1997, 18(2) :157-162.
陈 欣, 夏云程, 董小虎. 一种全数字半物理飞行控制实时仿真系统[J]. 南京航空航天大学学报, 2001, 33(2) :200-202.
林冬生, 郑 幸, 鲍传美. 无人机模拟训练视景仿真系统设计与实现[J ]. 计算机应用, 2007, 27(z 1) :107-108.
N eil R W, N ig el W J, W illiam J C. Simulat ion of U nm anned A ir V ehicle Flo cking [C ]//Pr oceedings o f t he T heo ry and P ractice of Computer Gr aphics, 2003.