无人机仿真训练系统
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无人机仿真训练系统
孙丽卿 王行仁 张国峰
北京 100083)
(北京航空航天大学先进仿真技术航空科技重点实验室
摘 要
为了满足无人机地面操纵人员的训练需求,本文以某新型无人机为应用背景提出了
“无人机仿真训练系统”的体系结构，对其中的模块及其关键技术进行了阐述。对于训练操 纵人员，该“无人机仿真训练系统”是一种缩短培训周期，减少费用，更为先进的训练方法。 关键词 无人机 仿真 训练
飞 机 飞 行 指 令 天地数据链路仿真模型
[3]
飞机系统仿真模型 飞机位置、姿态数据 侦察平台控制 运动仿真模型 侦察设备 仿真模型
地 面 指 挥 控 制 站
平台运动控制指令 侦察设备运动、工作状态控制指令 三维图像实 时生成系统 图像输出 图像传输驱动
图1 设飞机的速度为：
无人机仿真训练系统仿真原理框图
81
0 − sin l × sin λ cos l cos l × sin λ sin l
cos λ
xe y e ze
(6)
上述(6)式中 xe , ye , ze 为地心坐标系下的坐标， xd , yd , zd 为转换后的当地地理坐标系 下的坐标，公式（6）完成了从地心坐标向地理坐标的转换 。 2.3.2 侦察图像的仿真 利用三维几何建模的方法生成原始的地形几何数据库及地表纹理特征，在此基础上迭 加静止人文目标（如桥梁、建筑物）和运动目标（如车辆）以及云、雾等天气特征，由此 构成基本的场景数据库。然后根据上面描述得到的视点变换参数实时计算可见的二维透视 图，仿真相机在此时间点拍摄的照片。本系统采用了图像及融合处理的方法对图像进行处 理，实现了模拟摄像镜头的调焦过程。本系统采用了LOD技术对景物进行简化，在不影响画 面视觉效果的前提条件下，可以通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性， 从而提高绘制算法的效率。将每个模型均保留了一定层次的细节，当从近处观察物体时， 我们采用精细模型，而当从远处观察物体时则采用较为粗糙的模型。同时，在两个相邻层 次模型之间形成光滑的视觉过渡，即几何形状过渡，以避免视点连续地变化时两个不同层
& − PR) & = M + ( I − I )QR + I (Q I xx P x yy zz xy & = M + ( I − I ) PR + I ( P & + QR) I yy Q y zz xx xy 2 2 I R & zz = M z + ( I xx − I yy )QP + I xy ( P − Q )
[6]
80
次的模型间产生明显的跳跃 。这样，计算机在生成场景时，根据该物体所在位置与视点 间的远近关系不同，分别使用不同精细程度的模型，避免了不必要的计算，既能节约时间 又不会降低场景的逼真度，使计算的效率大大提高。 3 结论 本无人机仿真训练系统在飞机动力学仿真中采用六自由度全量非线性方程， 精确全面 地反映飞机的实际运动特性。任务载荷部分仿真中精确模拟侦察任务设备的各种动作，将 生成的数据实时的传给图像生成系统， 利用LOD技术在不影响画面视觉效果的前提条件下， 对场景的几何复杂性进行简化，从而提高了计算效率。 本无人机仿真训练系统与新型无人机一同投入使用，它能够训练操纵手进行起飞、着 陆及按航路点飞行，并实时显示三维动画图形，由于采用数学仿真与实物仿真相结合的方 法，给人以更加逼真、直观、舒适的感觉，操纵手可以在地面反复进行虚拟操纵训练，以 达到熟练操纵的目的，为实际操纵无人机打下坚实的基础。
1 引言 无人驾驶飞机在机体、发动机、燃料消耗、操纵训练、后勤和维修等费用方面要比有 人驾驶飞机低得多,并以其尺寸小、机动性大而获得较强的战场适应性与生存力,尤其是在 执行侦察与信息搜集,探测与攻击敌方雷达等军事任务方面显得特别有利,利用机载电视、 红外热像仪、合成孔径雷达可以获取实时的战地情报 。由于无人驾驶飞机具有上述诸多 优点，因此在现代战争中，无人机的作用日益受到人们的重视，各国竞相研制。 由于无人驾驶飞机的操纵是一个比较复杂的过程，对操纵人员有比较高的要求，因而 研制训练模拟器，让操纵人员进行模拟训练，既可以节省费用，又可以避免由于操纵 不熟练而造成无人驾驶飞机的不必要的损失。 系统仿真技术是以相似理论、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的专业 技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统 进行动态试验研究的一门综合性技术 。随着仿真技术的逐步发展，仿真已经从刚刚开始 时仅仅作为研究设计的一种试验手段，逐步发展为各类型仿真系统互联，人可以参与交互 作用的一种综合环境。 仿真技术应用于无人驾驶飞机进行飞行训练也成了仿真技术发展的必然。基于系统仿 真技术我们开发了无人机仿真训练系统。 2 总体结构 如图 1 所示为无人机仿真训练系统仿真原理框图。包括地面指挥控制仿真、天地数据 链路仿真、飞机系统仿真和任务载荷部分（包括侦察平台、侦察设备及侦察图像等）的仿 真。来自于地面指挥控制站的飞行遥控指令（包括航线、航点的装订，自主控制与操纵杆 控制的切换等） ，经天地数据链路仿真模型传入飞机系统仿真模型，经解算计算出飞机的实
[2] [1]
76
时飞行的位置和姿态。飞机的位置和姿态连同平台控制指令提供给侦察平台仿真模型，经 坐标变换，转换为眼坐标系下的坐标，连同侦察设备运动、工作状态控制指令（如 CCD 图 像、红外图像等）传入三维图像生成系统。生成的三维图像一方面实时的显示出来，同时 传回地面指挥控制站。 2.1 飞机系统仿真模型 飞行控制律的设计基于小扰动线性方程，全量仿真基于六自由度非线性全量方程，非 线性全量方程包括绕机体轴的角运动动力学方程，机体坐标系中的质心动力学方程，角运 动学方程及地坐标系中运动学方程 。
79
相机相对于基准 平台的运动数据
坐标 变换
得到相对于景物 空间下视向量
相机本体运动 （如焦距）
视口参数
视点变换矩阵
图像实时生成 任务/控制计算机 或机载数据终端
图4 任务设备执行动作仿真
坐标变换依照1964年国际天文学会通过的参考椭球体 ，设某点的经度l，纬度为b， 高程为h，则有
[5]
x d − sin λ y = − sin l × cos λ d zd cos l × cos λ
cos γtgϕ − sin γ cos γ / cos ϕ
（5）
该飞机系统仿真模型主要包括遥控和程控两种主要控制方式。遥控飞行仿真是利用计 算机控制台发出信号模拟主测控站或机动测控站发出的信号进行操纵无人机的仿真模拟， 通过对无人机的飞行特性及飞控系统的建模在计算机上实现无人机的仿真操纵飞行。程控 飞行仿真是使无人机按照预先规划的轨迹进行飞行，包括自主完成预先确定的航路和规划 的任务，并按确定的使命、原则在飞行中进行决策并自主执行任务。 2.2 地面指挥控制及数据链路仿真 2.2.1 地面指挥控制 地面指挥控制站的主要功能包括任务规划、飞行监视与控制、图像显示与载荷控制、 数据记录与通讯、系统监控与链路控制等。为让使用者有逼真的感觉，达到仿真训练的目 的，在地面指挥控制部分采用实物仿真。 2.2.2 天地数据链路仿真
其中： M x，M y，M z 分别为三个坐标轴上的总力矩。
（4）
根据总的合力和力矩可以得到加速度和角加速度，从而得到速度和角速度，从下式可 以得到相应的姿态角：
来自百度文库
sin γtgϕ γ& 1 ϕ & cos γ = 0 & θ 0 sin γ / cos ϕ
V = iU + jV + kW
角速度为：
（1）
ϖ = iP + jQ + kR
对于质量 m 的飞机有如下动力学方程 ：
[4]
（2）
& − VR + WQ) = F m(U x & m(V + UR − WP) = Fy m(W & − UQ + VP) = F z
（3）
77
其中： Fx，Fy，Fz 分别为三个坐标轴上的合力。
光缆 光 端 机 光 端 机 天 地 数 据 遥控 链 路 仿 遥测 遥 真 测 模 型
地 遥 光 面 控 端 指 机 挥 控 光 制 端 站 机
飞机 位置和姿态 指令 平台姿态 侦察任务平台 输出 (图像信息)
图 2 地面指挥控制站与天地数据链路仿真
图 3 任务载荷输入输出框图
78
在无人机仿真训练系统中用一台天地数据链（测控与信息传输系统）仿真计算机模拟 无人机和地面指挥控制站之间的测控与信息传输功能。需要传输的信息包括遥控信息、遥 测信息及图像信息。 如图 2 所示， 天地数据链路仿真计算机通过 RS-422 异步串行通讯接口与地面指挥控制 站的非计算机设备相连。 遥控和遥测信息采用 PCM 编码体制，为减少误码率，增加传输可靠性，遥控指令采用 每帧重发三遍，接收端以“三判二”的方式进行接发。图像编码采用 MPEG 图像压缩方法对 侦察设备输出图像的数据进行压缩。 2.3 任务载荷 如图3所示为任务载荷输入输出框图，任务载荷部分是无人机搭载的侦察设备，是地面 使用人员操纵、控制主要的关键部分之一。因此，该部分的功能仿真对于本训练系统来说 是十分重要的。 任务载荷采用数学仿真，主要包括两部分，一是任务设备各类执行动作的仿真，如平 台调姿、相机镜头方位调整、相机焦距调整、目标锁定等；二是侦察数据的仿真，如侦察 设备拍摄的可见光图像、红外图像等。同时二者在系统运行过程中又不是孤立的，而是相 互关联的。任务设备执行某个动作后，将实时地影响侦察数据的输出，比如调整相机姿态 时，由相机获得的照片将会实时的发生变化。 2.3.1任务设备执行动作仿真 任务设备各类动作的模拟将通过控制三维成像透视投影中的位置和姿态以及水平、垂 直视场角的方法来实现。仿真的具体过程可描述如图4。
[7]
参考文献
1 朱纪洪，夏云程，郭锁凤. 基于GPS某无人飞机的导航与制导算法，弹道学报，Vol.10 ，No.1，1998 年3月. 2 王行仁主编.飞行实时仿真系统及技术，北京航空航天大学出版社，1998. 3 张明廉.飞行控制系统 [M].北京: 国防工业出版社，1984.36～40. 4 长航时无人侦察飞机训练模拟器技术方案.北京航空航天大学内部资料，2000年9月. 5 康凤举主编.现代仿真技术与应用，北京：国防工业出版社，2001年. 6 以光衢等编.惯性导航原理，北京：航空工业出版社，1987. 7 张国宣，韦穗， 《虚拟现实中的LOD技术》 ， 《微机发展》 ，2001，No.1.13～15.
孙丽卿 王行仁 张国峰
北京 100083)
(北京航空航天大学先进仿真技术航空科技重点实验室
摘 要
为了满足无人机地面操纵人员的训练需求,本文以某新型无人机为应用背景提出了
“无人机仿真训练系统”的体系结构，对其中的模块及其关键技术进行了阐述。对于训练操 纵人员，该“无人机仿真训练系统”是一种缩短培训周期，减少费用，更为先进的训练方法。 关键词 无人机 仿真 训练
飞 机 飞 行 指 令 天地数据链路仿真模型
[3]
飞机系统仿真模型 飞机位置、姿态数据 侦察平台控制 运动仿真模型 侦察设备 仿真模型
地 面 指 挥 控 制 站
平台运动控制指令 侦察设备运动、工作状态控制指令 三维图像实 时生成系统 图像输出 图像传输驱动
图1 设飞机的速度为：
无人机仿真训练系统仿真原理框图
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0 − sin l × sin λ cos l cos l × sin λ sin l
cos λ
xe y e ze
(6)
上述(6)式中 xe , ye , ze 为地心坐标系下的坐标， xd , yd , zd 为转换后的当地地理坐标系 下的坐标，公式（6）完成了从地心坐标向地理坐标的转换 。 2.3.2 侦察图像的仿真 利用三维几何建模的方法生成原始的地形几何数据库及地表纹理特征，在此基础上迭 加静止人文目标（如桥梁、建筑物）和运动目标（如车辆）以及云、雾等天气特征，由此 构成基本的场景数据库。然后根据上面描述得到的视点变换参数实时计算可见的二维透视 图，仿真相机在此时间点拍摄的照片。本系统采用了图像及融合处理的方法对图像进行处 理，实现了模拟摄像镜头的调焦过程。本系统采用了LOD技术对景物进行简化，在不影响画 面视觉效果的前提条件下，可以通过逐次简化景物的表面细节来减少场景的几何复杂性， 从而提高绘制算法的效率。将每个模型均保留了一定层次的细节，当从近处观察物体时， 我们采用精细模型，而当从远处观察物体时则采用较为粗糙的模型。同时，在两个相邻层 次模型之间形成光滑的视觉过渡，即几何形状过渡，以避免视点连续地变化时两个不同层
& − PR) & = M + ( I − I )QR + I (Q I xx P x yy zz xy & = M + ( I − I ) PR + I ( P & + QR) I yy Q y zz xx xy 2 2 I R & zz = M z + ( I xx − I yy )QP + I xy ( P − Q )
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次的模型间产生明显的跳跃 。这样，计算机在生成场景时，根据该物体所在位置与视点 间的远近关系不同，分别使用不同精细程度的模型，避免了不必要的计算，既能节约时间 又不会降低场景的逼真度，使计算的效率大大提高。 3 结论 本无人机仿真训练系统在飞机动力学仿真中采用六自由度全量非线性方程， 精确全面 地反映飞机的实际运动特性。任务载荷部分仿真中精确模拟侦察任务设备的各种动作，将 生成的数据实时的传给图像生成系统， 利用LOD技术在不影响画面视觉效果的前提条件下， 对场景的几何复杂性进行简化，从而提高了计算效率。 本无人机仿真训练系统与新型无人机一同投入使用，它能够训练操纵手进行起飞、着 陆及按航路点飞行，并实时显示三维动画图形，由于采用数学仿真与实物仿真相结合的方 法，给人以更加逼真、直观、舒适的感觉，操纵手可以在地面反复进行虚拟操纵训练，以 达到熟练操纵的目的，为实际操纵无人机打下坚实的基础。
1 引言 无人驾驶飞机在机体、发动机、燃料消耗、操纵训练、后勤和维修等费用方面要比有 人驾驶飞机低得多,并以其尺寸小、机动性大而获得较强的战场适应性与生存力,尤其是在 执行侦察与信息搜集,探测与攻击敌方雷达等军事任务方面显得特别有利,利用机载电视、 红外热像仪、合成孔径雷达可以获取实时的战地情报 。由于无人驾驶飞机具有上述诸多 优点，因此在现代战争中，无人机的作用日益受到人们的重视，各国竞相研制。 由于无人驾驶飞机的操纵是一个比较复杂的过程，对操纵人员有比较高的要求，因而 研制训练模拟器，让操纵人员进行模拟训练，既可以节省费用，又可以避免由于操纵 不熟练而造成无人驾驶飞机的不必要的损失。 系统仿真技术是以相似理论、控制理论、计算机技术、信息技术及其应用领域的专业 技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统 进行动态试验研究的一门综合性技术 。随着仿真技术的逐步发展，仿真已经从刚刚开始 时仅仅作为研究设计的一种试验手段，逐步发展为各类型仿真系统互联，人可以参与交互 作用的一种综合环境。 仿真技术应用于无人驾驶飞机进行飞行训练也成了仿真技术发展的必然。基于系统仿 真技术我们开发了无人机仿真训练系统。 2 总体结构 如图 1 所示为无人机仿真训练系统仿真原理框图。包括地面指挥控制仿真、天地数据 链路仿真、飞机系统仿真和任务载荷部分（包括侦察平台、侦察设备及侦察图像等）的仿 真。来自于地面指挥控制站的飞行遥控指令（包括航线、航点的装订，自主控制与操纵杆 控制的切换等） ，经天地数据链路仿真模型传入飞机系统仿真模型，经解算计算出飞机的实
[2] [1]
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时飞行的位置和姿态。飞机的位置和姿态连同平台控制指令提供给侦察平台仿真模型，经 坐标变换，转换为眼坐标系下的坐标，连同侦察设备运动、工作状态控制指令（如 CCD 图 像、红外图像等）传入三维图像生成系统。生成的三维图像一方面实时的显示出来，同时 传回地面指挥控制站。 2.1 飞机系统仿真模型 飞行控制律的设计基于小扰动线性方程，全量仿真基于六自由度非线性全量方程，非 线性全量方程包括绕机体轴的角运动动力学方程，机体坐标系中的质心动力学方程，角运 动学方程及地坐标系中运动学方程 。
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相机相对于基准 平台的运动数据
坐标 变换
得到相对于景物 空间下视向量
相机本体运动 （如焦距）
视口参数
视点变换矩阵
图像实时生成 任务/控制计算机 或机载数据终端
图4 任务设备执行动作仿真
坐标变换依照1964年国际天文学会通过的参考椭球体 ，设某点的经度l，纬度为b， 高程为h，则有
[5]
x d − sin λ y = − sin l × cos λ d zd cos l × cos λ
cos γtgϕ − sin γ cos γ / cos ϕ
（5）
该飞机系统仿真模型主要包括遥控和程控两种主要控制方式。遥控飞行仿真是利用计 算机控制台发出信号模拟主测控站或机动测控站发出的信号进行操纵无人机的仿真模拟， 通过对无人机的飞行特性及飞控系统的建模在计算机上实现无人机的仿真操纵飞行。程控 飞行仿真是使无人机按照预先规划的轨迹进行飞行，包括自主完成预先确定的航路和规划 的任务，并按确定的使命、原则在飞行中进行决策并自主执行任务。 2.2 地面指挥控制及数据链路仿真 2.2.1 地面指挥控制 地面指挥控制站的主要功能包括任务规划、飞行监视与控制、图像显示与载荷控制、 数据记录与通讯、系统监控与链路控制等。为让使用者有逼真的感觉，达到仿真训练的目 的，在地面指挥控制部分采用实物仿真。 2.2.2 天地数据链路仿真
其中： M x，M y，M z 分别为三个坐标轴上的总力矩。
（4）
根据总的合力和力矩可以得到加速度和角加速度，从而得到速度和角速度，从下式可 以得到相应的姿态角：
来自百度文库
sin γtgϕ γ& 1 ϕ & cos γ = 0 & θ 0 sin γ / cos ϕ
V = iU + jV + kW
角速度为：
（1）
ϖ = iP + jQ + kR
对于质量 m 的飞机有如下动力学方程 ：
[4]
（2）
& − VR + WQ) = F m(U x & m(V + UR − WP) = Fy m(W & − UQ + VP) = F z
（3）
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其中： Fx，Fy，Fz 分别为三个坐标轴上的合力。
光缆 光 端 机 光 端 机 天 地 数 据 遥控 链 路 仿 遥测 遥 真 测 模 型
地 遥 光 面 控 端 指 机 挥 控 光 制 端 站 机
飞机 位置和姿态 指令 平台姿态 侦察任务平台 输出 (图像信息)
图 2 地面指挥控制站与天地数据链路仿真
图 3 任务载荷输入输出框图
78
在无人机仿真训练系统中用一台天地数据链（测控与信息传输系统）仿真计算机模拟 无人机和地面指挥控制站之间的测控与信息传输功能。需要传输的信息包括遥控信息、遥 测信息及图像信息。 如图 2 所示， 天地数据链路仿真计算机通过 RS-422 异步串行通讯接口与地面指挥控制 站的非计算机设备相连。 遥控和遥测信息采用 PCM 编码体制，为减少误码率，增加传输可靠性，遥控指令采用 每帧重发三遍，接收端以“三判二”的方式进行接发。图像编码采用 MPEG 图像压缩方法对 侦察设备输出图像的数据进行压缩。 2.3 任务载荷 如图3所示为任务载荷输入输出框图，任务载荷部分是无人机搭载的侦察设备，是地面 使用人员操纵、控制主要的关键部分之一。因此，该部分的功能仿真对于本训练系统来说 是十分重要的。 任务载荷采用数学仿真，主要包括两部分，一是任务设备各类执行动作的仿真，如平 台调姿、相机镜头方位调整、相机焦距调整、目标锁定等；二是侦察数据的仿真，如侦察 设备拍摄的可见光图像、红外图像等。同时二者在系统运行过程中又不是孤立的，而是相 互关联的。任务设备执行某个动作后，将实时地影响侦察数据的输出，比如调整相机姿态 时，由相机获得的照片将会实时的发生变化。 2.3.1任务设备执行动作仿真 任务设备各类动作的模拟将通过控制三维成像透视投影中的位置和姿态以及水平、垂 直视场角的方法来实现。仿真的具体过程可描述如图4。
[7]
参考文献
1 朱纪洪，夏云程，郭锁凤. 基于GPS某无人飞机的导航与制导算法，弹道学报，Vol.10 ，No.1，1998 年3月. 2 王行仁主编.飞行实时仿真系统及技术，北京航空航天大学出版社，1998. 3 张明廉.飞行控制系统 [M].北京: 国防工业出版社，1984.36～40. 4 长航时无人侦察飞机训练模拟器技术方案.北京航空航天大学内部资料，2000年9月. 5 康凤举主编.现代仿真技术与应用，北京：国防工业出版社，2001年. 6 以光衢等编.惯性导航原理，北京：航空工业出版社，1987. 7 张国宣，韦穗， 《虚拟现实中的LOD技术》 ， 《微机发展》 ，2001，No.1.13～15.