基于半实装的无人直升机训练系统实现

工作主要侧重软件仿真或半物理仿真模式的模拟操作训练[3]，这两种方式存在的问题是真实感较差，操作体验与实际存在较大差异，地面操作人员若仅经过仿真训练就进行全实装操作，风险太大。基于半实装的无人直升机训练系统采用能够模拟该型无人直升机典型飞行模态的小型油动无人直升机航模作飞行平台，并用某型无人直升机实装的地面站对其进行控制，以保证人机交互界面一致。

从物理架构上分，系统框架包括飞行平台和地面控制站。

1.1 训练飞行平台

飞行平台选用代表性的成熟汽油机航模进行改装，汽油机动力和续航时间比电驱动航模更有优势，并且汽油机具备和大型无人直升机相同的基本动力特性。训练飞行平台工作原理[4]如图1所示，并如下展开论述：

（1）飞行控制计算机：简称飞控计算机，其中的配置与该型无人直升机飞行控制策略一致的飞控软件，使得训练飞行平台能够模拟该型无人直升机典型飞行模态及功能；

（2）传感器信息采集：由飞控计算机中自带的惯性测量设备（包含三轴陀螺仪、三轴加速度计、磁力计、气压计等）采集俯仰角、横滚角、航向角、三轴角速率、三轴加速度及气压等信息。由GPS与电子罗盘提供GPS及航向信息，由超声波测距仪提供近地高度信息。飞控计算机负责收集处理以上信息；

（3）操纵系统：操纵系统伺服舵机包含3台操纵主桨的倾斜盘舵机、1台操纵航向的锁尾舵机及1台操纵风门开度的油门舵机，由飞控计算机对其进行操纵控制；

（4）发动机控制：发动机由启动器启动，飞控计算机对定速器发送转速设置信号，定速器操纵油门舵机对发动机油门进行控制，实现发动机转速的稳定；

（5）云台控制：由飞控计算机发送云台控制指令对其进行操纵控制；

（6）数据及图像传输：通过数传电台实现飞控计算机与地面站之间遥控遥测信息的实时传输，通过图传电台将摄像头采集的视频数据发往地面站。

1.2 地面控制站

训练地面控制站使用该型无人直升机实装的地面站，保持原指挥控制设备和链路设备不变的基础上加装训练机通讯链路设备，并对飞行监控软件协议作适应性更改，从而实现加改装后的地面站既可用于控制某型无人直升机，又可用于控制训练飞行平台，并且飞行控制操作流程保持一致。地面控制站工作原理如图2所示，并如下展开论述：

（1）指挥控制设备：由地面控制席位及外控盒组成。各席位及设备发出的上行遥控指令数据均在飞行控制席完成组帧，下行遥测数据在飞行控制席解帧分发；

（2）地面链路设备：地面链路设备与机载链路设备共同组成无人直升机数据传输通道。改装后的地面控制站包含某型无人直升机原地面链路设备和训练数传、图传电台地面终端。

2 系统关键技术

2.1 飞行控制软件设计

飞控计算机硬件采用开源飞控Pixhawk。Pixhawk是一款高性能自动驾驶仪，适用于固定翼、多旋翼、直升机、模型汽车、模型船等其他可移动的自动机械平台。飞控软件采用直升机模型固件Arduino Copter，该固件可加载到Pixhawk硬件平台中。

2.1.1 飞行模式调用和增添

为保证训练飞行平台与某型无人直升机的典型飞行模态一致，将某型无人直升机飞行控制功能与Arduino Copter固件飞控功能进行对比，得出需要增加或修改的控制模态有：

（1）增加发动机工作状态控制；

（2）增加部分飞行模式；

（3）增加复原功能；

（4）以固件中指引模式为基础修改增加航线功能；

（5）以固件中航点任务、游荡模式为基础增加遥调模式；

上述软件功能差异通过在Arduino Copter固件中增添新的飞行控制模式，调用相应的库函数和已有模块实现。

2.1.2 控制率参数调整

Arduino Copter固件支持手动调参和自动调参。根据某型无人直升机飞行控制策略调整飞行控制率参数，使飞行控制稳定、准确、迅速，并且与该型无人直升机飞行模态一致。

2.1.3 传输协议制定

MAVLink（Micro Air Vehicle Link，微型空中飞行器链路通讯协议）是一个开源的能够对微型飞行器进行数据封装和解析的库，被广泛应用于Pixhawk平台上[5]。本系统飞控软件按照MAVLink通信协议发送接收方式、规则和内容制定数据帧格式。

2.2 地面控制站兼容性设计

2.2.1 通信协议转换

由于训练飞行平台使用的MAVLink通信协议和某型无人直升机通信协议之间存在差异，导致某型无人直升机地面控制站原版软件不能兼容处理训练飞行平台遥控遥测信息的组解帧。因此在地面控制站飞行监控软件中增加后台协议转换模块，以解决上述问题。

协议转换模块的主要功能是接收训练飞行平台的下行遥测数据帧，转换成某型无人直升机通信协议格式后发送给飞行监控软件；接收飞行控制设备发出的遥控指令帧，转换成训练飞行平台MAVLink通信协议后，转发给训练机数传。该模块处于关闭状态时，飞行监控软件控制某型无人直升机；处于开启状态时，飞行监控软件控制训练飞行平台。地面控制站通过协议转换模块的开关，实现兼容某型无直升机控制模式和训练控制模式的目的。

2.2.2 图像显示

训练飞行平台与某型无人直升机平台下传的模拟视频接入一台多通道刻录机，操作员通过对相应通道进行切换，选择将训练机或某型无人直升机的下传图像数据显示在任务控制席显示器上。该方式避免了在某型无直升机控制模式和训练控制模式之间切换时反复插拔视频线插头，实现了控制站兼容显示两种模式下的图像数据，并可便捷切换。

3 系统实现

综合考虑训练飞行平台性能及重量的相互关系，对航模本体及机载硬件设备进行选型，如图3所示。训练飞行平台可实现续航时间30 min，控制半径1 km，使用升限500 m，最大行速度80 km/h。实装地面控制站如图4所示。

4 结束语

本无人直升机训练系统能够训练指挥控制人员进行起飞、着陆、近场悬停机动、自动航线飞行等基本飞行模态控制操作及图像侦查控制操作。实装地面站可以在某型无人直升机控制模式和训练控制模式间便捷切换，配合实物训练飞行平台的应用，从操作流程、操作界面及使用视角等各方面给地面指挥控制人员带来完全真实的训练操作体验。通过该训练系统，可以快速提高无人直升机指挥控制人员的操作技术水平，并可很大程度降低无人直升机损毁造成的经济损失。

参考文献

胡利民. 装备训练学[M]. 北京： 国防工业出版社， 2004： 131-132.

刘兴堂， 万少松， 张双选. 论军用模拟训练器/系统的发展趋势[J]. 系统仿真学报， 2002， 14（5）： 647-649.

云超， 李小民， 郑宗贵. 基于半实装的无人机模拟训练系统研究与设计[J]. 火力与指挥控制， 2014， 39（11）： 124-127.

刘培强， 曾国贵， 黄海， 等. 航模直升机飞行控制系统的设计与实现[J]. 直升機技术， 2009（4）： 41-45.

吕强， 倪佩佩， 王国胜， 等. DSP的MAVLink微型无人机通信协议移植与应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2014（11）： 3-5.

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