浅析无人机模拟器在驾驶培训中的应用

陈绍志,张云秀,张 炜

(潍坊工程职业学院 山工机电工程学院，山东 青州 262500)

浅析无人机模拟器在驾驶培训中的应用

陈绍志,张云秀,张 炜

(潍坊工程职业学院 山工机电工程学院，山东 青州 262500)

随着我国逐渐开放低空空域，民用无人机得到越来越广泛的应用，对无人机驾驶人员的需求也越来越大，无人机训练机构在训练初期普遍采用无人机模拟器对驾驶员进行训练，无人机模拟器既能够满足训练要求，又能够节约费用、降低风险，但其自身也存在局限性，不可完全取代真实的无人机驾驶训练。

无人机；模拟器；驾驶培训；作用

无人机在军事领域的成功使用，使各国军方越来越重视无人机的使用，从而带动无人机技术得到突飞猛进的发展，同时带动了民用无人机的发展。随着我国低空空域的不断开放，民用无人机得到了越来越广泛的应用，例如街景拍摄、监控巡察、电力巡检等。无人机飞控技术越发达，对无人机的手动操控技术要求越高，想要成为无人机驾驶员必须经过系统的驾驶操控技术培训。无人机驾驶员操控技术的培训是一项技能培训，要想掌握此项技能，就必须进行大量的飞行训练。在无人机驾驶培训初期，学员对飞机动作的反应不熟练，容易造成事故，为了有效缓解真实无人机训练带来的弊端，训练机构会安排一定时间的无人机模拟器训练。

1 真实无人机训练的弊端

大量训练是练就过硬无人机操控技能的保障，真实的无人机训练会存在一些弊端。第一，客观条件不允许过多的真机训练，真机训练的风险较大。无人飞机与有人飞机存在较大的差异，当有人驾驶飞机出现故障时，飞行员可以根据具体情况采取一定的措施，尽可能地让飞机安全着陆，但无人机若在飞行时发生故障，操控人员无法直接接触飞机，很有可能导致飞机坠毁。第二，在无人机手动操控训练时，训练初期无人机操控人员对飞机的飞行特性不够熟悉，新学员手动操作时容易出现失误，无人机的飞行速度又很快，若失误以后无法及时修正的话，极可能造成飞机坠毁，甚至可能造成人身伤亡。第三，真实无人机训练的花费过大。进行无人机实机训练，对飞机的要求极高，需要配备无人机飞行和机械安全的保障人员。在无人机训练初期的带飞阶段，还需要教员的实时指导和辅助修正。真机训练还需要消耗油料、电池等物资，同时会对无人机的有关部件造成磨损，减少无人机的寿命。

2 无人机训练模拟器的构成

为充分发挥无人机模拟器的各项性能，我们需要对无人机模拟器的结构进行了解。无人机模拟器主要由地面站控制仿真模块、无人机任务载荷仿真模块、地面站与无人机数据链路仿真模块、数据处理图像生成模块、无人机飞行控制仿真模块、图像显示终端模块和训练评估模块等组成。本文主要参考叶晓慧等[1]设计的无人机训练模拟器，总体结构如图1所示。

无人机地面站与无人机仿真数据链路向模拟无人机发出飞行控制的指令和无人机携带设备的任务载荷的指令。飞控的仿真模型接收到飞行控制的指令后，飞控仿真模块把无人机当前的飞行参数与控制指令中的飞行参数进行对比分析，数据处理模块通过计算得到当前无人机的飞行位置和姿态，根据数据计算结果生成下一步的控制数据，控制无人机飞行。无人机机载设备需要通过处理任务载荷控制指令的数据，得到指令结果控制无人机机载设备完成工作任务。之后，无人机飞行的仿真数据和任务载荷的仿真数据作为图像生成模块的输入数据，由图像生成模块对数据进行处理，最终的结论数据通过视显系统把无人机和机载设备的工作情况以人机交互的模式呈现出来。同时两条线路的数据都将输入到训练评估模块，由该模块对无人机的模拟训练情况作评估。各模块具体参数根据叶晓慧[2]的设计整理而成，见表1。

图1 无人机模拟器总体结构图

表1 无人机模拟器模块参数表

3 无人机模拟器的作用

为解决采用实际无人机进行训练带来的问题，借助无人机训练模拟器训练是很好的选择。为使模拟器训练更接近真实无人机训练的效果，可以对无人机手动操作的相关设备，如手柄、键盘、按钮等，采用和无人机真机训练设备外形和质感一样、功能相同的设备，这样通过模拟器进行训练的人员将得到和操作真实的无人机一样的操作反馈[3]，达到同样的训练效果。

无人机操控人员通过进行模拟器训练，可以完成多种训练科目。对于刚接触无人机操作的学员，开始阶段几乎无法完成真机的飞行操作，必须在无人机训练模拟器上达到熟练操控飞机的程度才可以进行真机训练。下面分析无人机模拟器的主要作用。

3.1 模拟器训练的可逆性，有效避免学员的恐惧心理

在模拟器训练时飞机模型具有可逆性，飞机模型坠毁后可即时生成新模型。以直升机为例，直升机在日常应用中最重要的动作就是悬停。对于初学者手动控制直升机达到悬停的状态是非常有难度的，需要重复的自主强化训练达到手部微调动作的养成。无人机驾驶学员刚开始练习模拟器时，由于对飞机的操控比较陌生，在短时间内就会发生坠机。如果这种情况发生在真机训练时，学员会产生比较紧张的心理。如果发生在真机训练的带飞阶段，教员会提前接管飞机，以防止发生坠机事件，这样学员的操作权利就被剥夺了，从而导致学员无法体会到在多种情况下飞机的操作手法。在无人机模拟器训练时，坠机后会马上生成新的模型，学员不存在坠机的恐惧心理，并可以充分体会到各种应急情况下的操作手法。在无人机模拟器训练时，学员可保持比较平和的心态，从而更容易熟练掌握无人机的操控技能。

3.2 模拟器训练可实现单通道控制，便于学员选择训练动作

飞机在空中飞行，可以产生俯仰运动、偏航运动和滚转运动。在真实飞行过程中这些动作有时需要同时完成，对应的具体操作为升降舵操作、方向舵操作和副翼操作。无人机操控者需要迅速协调的完成手部动作，以达到无人机的平稳控制。这对于刚开始进行无人机驾驶培训的学员是无法同时完成的，需要分别进行训练，这在真机训练中是无法实现的。模拟器训练可以实现单通道控制，模拟器操控者可以选择单升降舵操作、单副翼舵操作和单方向舵操作。在单通道训练熟练后，模拟器操控者还可选择双通道训练，即升降加副翼操作、升降加副翼操作和副翼加方向操作。这样操作难度由简到难，符合人的认知规律，无人机模拟器训练人员容易更快速的适应无人机操控训练，在短时间内即可达到较理想的训练效果。

3.3 模拟器训练可降低成本，进行可逆性训练

经过初级阶段无人机模拟器的训练，无人机驾驶学员可以形成对无人机动作反馈快速准确的条件反射。这样可以有效避免真机训练的弊端，大大降低风险、避免操作失误而造成无人机坠机等造成的损失，减少油料、电池等的消耗，节约经费，降低训练成本。无人机操控人员可以通过模拟器不断的进行可逆性训练，强化特定动作的训练效果，不断提升自身的无人机操控技能。

4 无人机模拟器的局限性

无人机模拟器在无人机驾驶训练中发挥了重要的作用，但也有其局限性，我们要寻求在实机训练与模拟训练之间建立某种平衡。对于传统的无人机系统，使用模拟器的主要作用在于节省训练费用和维持飞机有限的使用寿命[4]。模拟器训练应作为实际训练的补充，而非完全替代。无人机模拟器不能模拟无人机的所有程序，也不能将所有类型的无人机融入其中，例如模拟器并不适宜进行无人机的着陆训练，无人机驾驶员不能很好地从模拟器获取飞机着陆状态的反馈。特别在无人机执行具体任务时，空地协同任务的完成需要更多的实际训练。模拟器只能替代无人机本身，无法完成对宏观任务的计划、协同、决策等进行模拟。

结束语

无人机模拟器可以模拟无人机从起飞到着陆之间的各个环节，有利于初学者手动操控与飞机动作之间条件反射的建立和无人机驾驶员熟练驾驶技能的培养。在无人机操控学习的起步阶段，使用模拟器训练可相应地减少真机训练的时间，从而降低无人机驾驶培训的成本。伴随着计算机硬件技术和飞行仿真技术的发展，无人机模拟器将更加完善，将在驾驶员培训方面发挥更大的作用。

[1]叶晓慧.海军无人机装备保障论证报告[R].武汉：海军工程大学,2007.

[2]叶晓慧.无人机训练模拟器设计[J].舰船电子工程，2008,(9):42-45.

[3]王哲.民用飞机飞行模拟器的设计与发展[J].航空科学技术，2001，(1)：31-32.

[4]王涛.美军打造无人机系统训练战略[J]. 现代军事，2015，(7)：99-108.

(责任编辑：刘小林)

10.3969/j.issn.1009-2080.2015.06.021

2015-11-20

陈绍志(1986-)，男，山东青州人，潍坊工程职业学院山工机电工程学院助教，硕士。

V279

B

1009-2080(2015)06-0080-03