一种无人机模拟训练系统的制作方法

1.本发明涉及无人机训练技术领域，尤其涉及到一种无人机模拟训练系统。


背景技术：

2.无人驾驶飞机的操控是一个比较复杂的过程，对操控人员有比较高的要求，故通过训练模拟系统让操控人员进行模拟训练，既可以节省成本，又可以避免由于操控不熟练而造成无人驾驶飞机的不必要的损失。目前的无人机训练系统训练模式单一、效率较低、且成本昂贵，难以较好地满足训练需求，
3.综上所述，提供一种可有效地辅助无人机操控人员进行多模式、多场景训练且扩展性好的无人机模拟训练系统，是本领域技术人员急需解决的问题。


技术实现要素：

4.本方案针对上文提到的问题和需求，提出一种无人机模拟训练系统，其由于采取了如下技术方案而能够解决上述技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人机模拟训练系统，包括：三维仿真单元、地面站单元和训练评估单元；
6.所述三维仿真单元用于根据所述地面站单元输入的无人机飞行控制数据进行飞行模拟，并在智能显示模块显示航线、第一视角、第三视角及三维模拟环境；
7.所述地面站单元用于操控训练人员输入飞行控制指令和飞行参数、并对遥测数据、飞行航迹和控制指令指令发送状态进行管理；
8.所述训练评估单元用于接收所述三维仿真单元虚拟无人机飞行参数，并依据设置的科目和场景参数，实现不同仿真环境下的飞行训练，并对其进行记录和数据回放，读取训练操作数据以评定训练操作成绩。
9.进一步地，所述三维仿真单元包括仿真模块，所述仿真模块接收遥控指令改变无人机的飞行姿态，并依托flightgear2018平台利用飞机的气动参数、翼型参数、动力参数建立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和飞行距离参数，然后采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、舵机设备系统。
10.更进一步地，所述三维仿真单元还包括数据接收模块，所述数据接收模块用于接收输入的飞行交互指令和设置的参数，所述飞行交互指令包括飞行速度、姿态、高度，所述设置的参数包括航点信息和模拟环境参数信息。
11.更进一步地，所述地面站单元包括控制器、接口模块、控制面板、数传天线、主机和充电模块；
12.所述控制面板包括摇杆模块、第一智能交互模块和多组控制按钮，所述摇杆模块包括速度和方向控制摇杆和飞行姿态控制摇杆，速度和方向控制摇杆上下拨动为控制油门即控制速度快慢，左右拨动为控制方向，所述飞行姿态控制摇杆上下拨动为控制机身俯仰，
左右为控制机身测滚，所述第一智能交互模块用于输入飞行控制指令、航线规划指令和显示遥测数据、飞行航迹和控制指令指令发送状态，所述第一智能交互模块输入航线规划指令包括简单航线规划和自动航线规划，所述多组控制按钮包括电源按钮、开机按钮、加锁/解锁按钮、手动按钮、自动按钮、自定义按钮和返航按钮，所述摇杆模块、所述第一智能交互模块和所述多组控制按钮均与所述控制器相连接；
13.所述接口模块包括hdmi高清接口、usb3.0接口和网络接口，所述接口模块和所述控制器均与所述主机相连接，所述主机与所述三维仿真单元相连接用于通过接口协议将飞控参数与仿真模块的虚拟无人机结合；
14.所述充电模块用于为所述地面站单元进行充电。
15.更进一步地，所述地面站单元还包括电量显示模块和散热模块，电量显示模块用于显示地面指挥单元的剩余电量，所述电量显示模块包括电量显示器，所述散热模块包括一对散热风扇，所述一对散热风扇与所述控制器电连接，当系统温度超过设置的温度阈值时，所述控制器控制一对散热风扇转动散热。
16.更进一步地，所述训练评估单元包括选择模块、切换模块、数据管理模块和参数接收模块；
17.所述选择模块用于选择不同的虚拟无人机机型和训练科目，并启动对应机型的视景；
18.所述切换模块用于根据所述飞行控制单元发送的状态切换信号进行自动模式和手动模式切换，在控制台的第二智能交互模块显示当前状态的模式，在手动模式状态下时，模型接受遥感数据驱动；当在自动模式状态下时，模型接受地面站发送的数据驱动飞行；
19.所述数据管理模块用于记录和更新飞行数据、进行数据回放及监控飞行数据，所述数据管理模块包括存储数据库、记录控制模块、数据监管模块和初始化模块，所述存储数据库用于按照存储列表存储模型飞行中的数据，所述记录控制模块包括记录数据/结束记录按钮和存储选择模块，控制记录数据/结束记录按钮，系统开始记录飞行数据，此时操控训练人员开始操作飞机飞行，需要结束记录数据是，再次控制记录数据/结束记录按钮，当需要保存该条数据时，操控训练人员通过所述存储选择模块输入该条数据的名称即可保存，若不输入名称，将保存为默认的数据名称，当不需要保存该条数据时操控训练人员通过所述存储选择模块选择取消保存，所述数据监管模块用于根据数据回放指令进行数据回放和根据数据删除指令对记录数据进行删除及对虚拟无人机的偏航角、滚转角、航向角和高度进行监控并通过所述第二智能交互模块指示空速的数据曲线，所述初始化模块用于对数据和视景进行初始化；
20.所述参数接收模块用于通过所述第二智能交互模块接收操控训练人员输入的初始化指令、数据记录更新指令、数据回放指令和模拟风速及风向的指令。
21.更进一步地，还包括飞行控制单元，所述飞行控制单元包括垂飞旋钮、暂停开关、操控杆和多组控制开关，所述垂飞旋钮和所述暂停开关均与所述控制器相连接，当视景启动并完成初始化后，推动所述暂停开关启动模型时钟，操控训练人员通过旋转垂飞旋钮使飞机垂直起飞，当高度达到要求时，可将垂飞旋钮旋转至零位，所述多组控制开关包括机型选择开关、视景启动开关、初始化开关、科目选择开关、记录数据/结束记录开关、数据回放/结束回放开关、手动/自动切换开关。
22.更进一步地，所述训练评估单元还包括成绩评定模块，所述成绩评定模块读取的飞行操作数据，根据设定的评分规则，对所述飞行操作数据进行比较判断获取训练成绩。
23.从上述的技术方案可以看出，本发明的有益效果是：本发明可有效地辅助无人机操控人员进行多模式、多场景训练且扩展性好。
24.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更详尽的描述，以便能容易地理解本发明的特征和优点。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下文将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
26.图1为本发明一种无人机模拟训练系统的组成结构示意图。
27.图2为本发明中控制面板的组成结构示意图。
28.图3为本发明中飞行控制单元的组成结构示意图。
29.图4为本发明中数据管理模块的组成结构示意图。
30.图5为本实施例中无人机模拟训练的成绩评估流程示意图。
31.图6为本实施例中地面站单元使用方法的具体流程示意图。
32.图7为本实施例中不同模拟训练场景下的可视化训练界面。
33.图8为本发明训练评估过程的数据监管界面。
34.图9为本发明地面站的可视化控制界面。
具体实施方式
35.为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.无人机操控模拟训练装备系统，可为无人机系统提供动态、基于能力、支持联合作战演练的模拟训练手段，可用于无人机系统操控人员的上岗培训和日常训练，故本发明提供了一种可有效地辅助无人机操控人员进行多模式、多场景训练且扩展性好的无人机模拟训练系统。如图1至图4所示，该系统包括：三维仿真单元、地面站单元和训练评估单元；所述三维仿真单元用于根据所述地面站单元输入的无人机飞行控制数据进行飞行模拟，并在智能显示模块显示航线、第一视角、第三视角及三维模拟环境，三维仿真单元与地面站单元通过接口通信协议通讯。所述飞行控制数据包括无人机系统的位置、姿态、方向、模式切换、速度等数据。
37.所述三维仿真单元包括仿真模块，所述仿真模块接收遥控指令改变无人机的飞行姿态，并依托flightgear2018平台利用飞机的气动参数、翼型参数、动力参数建立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和飞行距离参数，然后采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、舵机设备系
统。所述三维仿真单元还包括数据接收模块，所述数据接收模块用于接收输入的飞行交互指令和设置的参数，所述飞行交互指令包括飞行速度、姿态、高度，所述设置的参数包括航点信息和模拟环境参数信息。
38.所述地面站单元用于操控训练人员输入飞行控制指令和飞行参数、并对遥测数据、飞行航迹和控制指令指令发送状态进行管理。在本实施例中，地面站单元面向无人机指挥控制人员和操控人员，通过友好的人机界面，完成遥测数据、飞行航迹和指令发送状态等信息显示，且操控台面板上设置有各种指令按钮和操控杆辅助训练。具体地，所述地面站单元包括控制器、接口模块、控制面板、数传天线、主机和充电模块；所述控制面板包括摇杆模块、第一智能交互模块和多组控制按钮，所述摇杆模块包括速度和方向控制摇杆和飞行姿态控制摇杆，速度和方向控制摇杆上下拨动为控制油门即控制速度快慢，左右拨动为控制方向，所述飞行姿态控制摇杆上下拨动为控制机身俯仰，左右为控制机身测滚，所述第一智能交互模块用于输入飞行控制指令、航线规划指令和显示遥测数据、飞行航迹和控制指令指令发送状态，所述第一智能交互模块输入航线规划指令包括简单航线规划和自动航线规划，所述多组控制按钮包括电源按钮、开机按钮、加锁/解锁按钮、手动按钮、自动按钮、自定义按钮和返航按钮，所述摇杆模块、所述第一智能交互模块和所述多组控制按钮均与所述控制器相连接；所述接口模块包括hdmi高清接口、usb3.0接口和网络接口，所述接口模块和所述控制器均与所述主机相连接，所述主机与所述三维仿真单元相连接用于通过接口协议将飞控参数与仿真模块的虚拟无人机结合，控制器将控制面板的控制信号通过主机传输至仿真模块的虚拟无人机，从而实现对虚拟无人机的控制；所述充电模块用于为所述地面站单元进行充电。当按下电源键，地面站开始供电启动运行。当地面站有供电后，按下开机键，内置电脑主机开始运作。加锁/解锁按钮按下为解锁状态，再按一次为加锁状态；利用手动按钮切到手动控制，这时候可以使用摇杆进行控制；利用自动按钮切到自动控制，这时会按照提前设定好的进行控制；用户可通过自定义按钮自定义相关功能。按动返航按钮，训练目标会回到任务起始点。
39.所述地面站单元还包括电量显示模块和散热模块，电量显示模块用于显示地面指挥单元的剩余电量，所述电量显示模块包括电量显示器，所述散热模块包括一对散热风扇，所述一对散热风扇与所述控制器电连接，当系统温度超过设置的温度阈值时，所述控制器控制一对散热风扇转动散热。
40.所述训练评估单元用于通过网络协议接收来自三维仿真子系统和地面站子系统的飞行控制指令和虚拟无人机飞行参数，并依据设置的科目和场景参数，实现不同仿真环境下的飞行训练，并对其进行记录和数据回放，读取训练操作数据以评定训练操作成绩。
41.具体地，所述训练评估单元包括选择模块、切换模块、数据管理模块和参数接收模块；所述选择模块用于选择不同的虚拟无人机机型和训练科目，并启动对应机型的视景；所述切换模块用于根据所述飞行控制单元发送的状态切换信号进行自动模式和手动模式切换，在控制台的第二智能交互模块显示当前状态的模式，在手动模式状态下时，模型接受遥感数据驱动；当在自动模式状态下时，模型接受地面站发送的数据驱动飞行；所述数据管理模块用于记录和更新飞行数据、进行数据回放及监控飞行数据，所述数据管理模块包括存储数据库、记录控制模块、数据监管模块和初始化模块，所述存储数据库用于按照存储列表存储模型飞行中的数据，所述记录控制模块包括记录数据/结束记录按钮和存储选择模块，
控制记录数据/结束记录按钮，系统开始记录飞行数据，此时操控训练人员开始操作飞机飞行，需要结束记录数据是，再次控制记录数据/结束记录按钮，当需要保存该条数据时，操控训练人员通过所述存储选择模块输入该条数据的名称即可保存，若不输入名称，将保存为默认的数据名称，当不需要保存该条数据时操控训练人员通过所述存储选择模块选择取消保存，所述数据监管模块用于根据数据回放指令进行数据回放和根据数据删除指令对记录数据进行删除及对虚拟无人机的偏航角、滚转角、航向角和高度进行监控并通过所述第二智能交互模块指示空速的数据曲线，第二智能交互模块包括智能显示屏，所述初始化模块用于对数据和视景进行初始化，在手动模式下，初始化控制系统和视景界面，恢复到初始状态点，击初始化按钮或者油门开关可以使视景和模型初始化，在飞行过程中也可以该操作；所述参数接收模块用于通过所述第二智能交互模块接收操控训练人员输入的初始化指令、数据记录更新指令、数据回放指令和模拟风速及风向的指令，风速最大限制为12m/s，在油门台上也可对风速和风向的值进行更改。且所述训练评估单元还包括成绩评定模块，所述成绩评定模块读取的飞行操作数据，根据设定的评分规则，对所述飞行操作数据进行比较判断获取训练成绩。
42.本系统还包括飞行控制单元，所述飞行控制单元包括油门台和操纵杆，所述油门台包括垂飞旋钮、暂停开关和多组控制开关，所述垂飞旋钮和所述暂停开关均与所述控制器相连接，当视景启动并完成初始化后，推动所述暂停开关启动模型时钟，操控训练人员通过旋转垂飞旋钮使飞机垂直起飞，当高度达到要求时，可将垂飞旋钮旋转至零位，所述多组控制开关包括机型选择开关、视景启动开关、初始化开关、科目选择开关、记录数据/结束记录开关、数据回放/结束回放开关、手动/自动切换开关。本系统可切换自动飞行和手动飞行，包含多个无人机型，可实现垂直起降，视景中可显示经纬度及高度，且包含所仿真的无人机三维模型及三维模拟环境，并且视角可在第一视角和第三视角进行切换，手动飞行模式下，飞行控制单元可控制所虚拟无人机型的油门加减，摇杆可控制无人机的姿态和方向。
43.如图5所示，在本实施例中，无人机模拟训练的成绩评估流程包括：启动系统，进行通信连接，选择机型；点击启动视景开关，启动对应开关；视景启动完毕后，点击初始化开关，初始化系统平台和视景；推动“暂停开关”(使开关到右侧位置)，启动模型时钟；逆时针旋转“垂飞旋钮”，使飞机垂直起飞，当高度达到要求时，可将“垂飞旋钮”旋转至零位(中间位置的卡阻档)；前推油门，可增加飞机的速度，前后或左右转动摇杆，可改变飞机的姿态；点击“自动/手动”按钮，可实现自动模式和手动模式的切换；训练结束后进行数据记录回放，并读取数据根据设定的评分规则，对所述飞行操作数据进行比较判断获取训练成绩。
44.在本实施例中，地面站控制采用基于开源系统mission planner的地面站，适用于固定翼，旋翼机和地面车。地面站控制软件可给自动设备提供配置工具或动力学控制。地面站控制软件和flightgear2018仿真平台搭建在主机上，可创建一个复杂的开放式飞行模拟器框架，并生成和模拟真实的物理环境，进行飞行控制设置、航线规划和训练模式选择等。
45.如图6所示，地面站单元使用方法包括：硬件连接完成后，先启动仿真系统，并将其设置为自动模式；地面站主机开机；启动完成之后，连接地面站与仿真系统，连接成功后，启用摇杆控制并配置飞行计划，配置飞行计划包括配置航点信息和地图航线信息等；设置模式选择起飞动作，并解锁飞机，开始飞行作业；起飞完成后选择自动模式。
46.飞行计划的配置包括简单航线规划和自动航线规划两种方式，
47.简单航线规划步骤包括：首先选择必应地图，在所述必应地图上获取多个航点位置信息，并为多个航点位置信息配置具体的起飞、降落、改变飞行速度和控制相机拍照等航点命令和合适的高度，航线规划好后，虚拟无人机按照航线规划进行飞行作业，起飞点没有坐标，只有高度，起飞点为飞机摆放的点；降落点的高度为0，旋翼机降落为先以当前高度飞到land点坐标，到达land坐标后开始降落。
48.自动航线规划包括：在所述必应地图上绘制多边形，框出需要飞行的边界范围，选择自动航点；设置飞行任务的参数、设置重叠度等参数；设置完成后，在需要飞行的边界范围的获取任务开始点，然后根据设置参数生成对应的航线任务，然后开始飞行作业。对于旋翼机，需要把起飞高度修改为和航线高度一致。其中，设置飞行任务的参数包括：选择相机型号、飞行高度、飞行速度等参数，参数改变生成的航线预览也会对应变化。设置重叠度等参数包括：旁向重叠度70％以上，航向重叠度与拍照距离间隔相关，可根据实际情况确定。
49.图7为本技术在不同模拟训练场景下的可视化(第三视角)训练界面，其中，“a”为丘陵，“b”为海面，“c”为海岸，“d”为天空，在点击初始化按钮之后，得到虚拟无人机的初始状态。图8为训练评估过程的数据监管界面，虚拟无人机的偏航角、滚转角、航向角和高度等监控数据曲线，图9为本技术地面站的可视化控制界面，示出的是虚拟无人机在飞行作业控制的场景。综上所述，本发明的无人机模拟训练系统对产品机模型以及应用场景进行仿真，带给用户自然真实的飞行控制体验，为产品用户提供从基础知识教学到仿真训练以及作业场景练习的完整培训解决方案。
50.应当说明的是，本发明所述的实施方式仅仅是实现本发明的优选方式，对属于本发明整体构思，而仅仅是显而易见的改动，均应属于本发明的保护范围之内。