无人机虚拟仿真训练系统的发展现状

【摘要】虚拟仿真技术在现代警用无人机技术应用中，起着至关重要的作用。通过虚拟仿真技术的应用，可以让无人机飞行操作与维护训练，实现远程化和可视化教学，并且可以有效提升公安民警对无人机设备操作的实践能力。目前关于警用无人机虚拟仿真系统的开发仍存在问题和改进的方面。本文旨在探讨其存在的问题和挑战，并提出相应的优化策略和发展建议，以期为警用无人机虚拟仿真系统完善开发并运用于公安实战提供有益参考。

【关键词】虚拟仿真|警用无人机|辅助训练

随着科技的飞速进步和无人机技术的日益成熟，警用无人机在公共安全、应急救援、交通监控、犯罪侦查等领域的应用日益广泛，成为了现代警务工作中不可或缺的重要工具。警用无人机以其独特的空中视角、灵活的机动性和高效的作业能力，为警方提供了前所未有的工作支持，极大地提升了警务工作的效率和水平。可以说警用无人机是警务模式变革的重大突破，是智能警务的有机载体，是无人化作战平台的内在组成部分[1]。然而目前传统的无人机驾驶培训方式主要依赖于实际飞行训练和理论讲解，这种方式虽然直观有效，但存在诸多局限性。首先，实际飞行训练对无人机的损耗较大，且存在较高的安全风险，不适合频繁进行。其次，理论讲解难以让学员直观感受到无人机的飞行状态和操作细节，学习效果有限。因此，探索一种高效、安全、经济的无人机驾驶培训方式显得尤为重要。而虚拟仿真技术作为一种新兴的培训手段，以其高度的仿真性、互动性和可重复性，在无人机驾驶培训中展现出了巨大的潜力。通过构建虚拟仿真系统，可以模拟真实的飞行环境和无人机操作过程，使学员在无需实际飞行的情况下，就能获得丰富的飞行经验和操作技能。这种培训方式不仅降低了培训成本，提高了培训效率，还极大地降低了安全风险，为警用无人机驾驶培训指明一条可行可靠的道路。

一、虚拟仿真技术概念界定

虚拟仿真技术是一种通过计算机硬件、软件及各种传感器构建的三维信息人工环境，来高相似度的模拟现实世界中存在的各个场景事物的技术。该技术融合了多种领域的科学知识，对于人工智能以及传感技术进行了进一步综合运用，为用户提供更加逼真的体验，更能让用户沉浸式操作。虚拟仿真技术可以使用户在计算机上模拟一个与现实世界相似的虚拟环境，通过人机交互方式进行学习、实验、训练等[2]。虚拟仿真技术可以无限次地重复模拟相同的场景或系统，便于用户进行比较、测试、训练等操作。相比于真实的场景或系统，虚拟仿真技术在成本上具有显著优势，无需考虑场地、设备、人力等投入。通过建立警用无人机驾驶训练虚拟仿真平台，用虚拟传感器代替无人机的真实传感器等方式，将部分无人机实飞训练迁移到仿真训练上来，促进训练效益和经济效益提升。“无人机训练+仿真”在无人机全过程训练过程中有着巨大前景[3]。

二、警用无人机虚拟仿真系统概述

（一）系统优点

警用无人机虚拟仿真系统是一种利用虚拟现实技术和仿真技术，为警用无人机驾驶员提供高效、安全、经济的培训解决方案的系统，通过构建高度逼真的虚拟飞行环境，模拟无人机在各种复杂场景下的飞行和操作，使学员能够在无风险的环境中反复练习，提高飞手面对突发紧急情况时的能力并提升飞行技能。该系统不仅降低了培训成本，还大大提高了培训效率和安全性。该系统利用三维仿真技术对警用无人机实战中的主要场景进行模拟，并将无人机操控信号转换成飞行实景数据，从而使受训人员真实地演练各种无人机技战法[4]。同时该系统可以模拟各种复杂的无人机操作，建立了逼真的无人机飞行模拟环境，如飞行跟踪、多机协同、多路径规划以及基本的起飞悬停等。

（二）系统架构

警用无人机虚拟仿真系统通常包含仿真计算机、仿真模拟舱、视野仿真系统在内的多个核心组件，这些组件协同工作创建出一个高度逼真的虚拟训练环境。仿真计算机作为系统的核心处理单元，其负责运行仿真软件、模拟无人机的飞行动力学、传感器数据、环境交互等关键要素。仿真模拟舱包括操纵杆、仪表盘、显示屏等，可以高度还原真实无人机驾驶舱的布局和设备，使学员能够身临其境地进行操作练习。视野仿真系统通过高清显示屏或虚拟现实头盔，为学员提供逼真的视觉体验，包括地形、天气、建筑物、障碍物等环境因素，以及无人机视角的实时画面。

三、无人机驾驶培训虚拟仿真系统的研究现状

（一）国内研究现状

目前，国内多家科研机构和企业正在积极研发无人机驾驶培训虚拟仿真系统。这些系统通常包括仿真计算机、模拟驾驶舱、运动仿真平台、视景仿真系统等多个核心组件，能够模拟真实的飞行环境和操作过程[5]。例如在消防领域，消防救援局南京训练总队研发了一种无人机虚拟仿真系统运用于消防救援，其目的在于模拟多种真实的救援场景以应对意外突发状况。通过三维渲染引擎对无人机的型号、搭载器械进行仿真，构建各种场景库，例如森林火灾、泥石流、地震等，在虚拟仿真的飞行中，该系统采用了FlightGear连接技术，在FlightGear中使用集成的YASim空气动力学模型库作为消防救援用无人机的动力学模型[6]，定义无人机的旋翼模型、起落架模型等，实时计算无人机旋翼转速、机身姿态信息，从而加强训练效果，并且构建了消防救援场景训练虚拟仿真系统结构框架如图1所示。

（二）应用情况

随着技术的不断进步和应用场景的拓展，警用无人机虚拟仿真系统在我国的应用前景将更加广阔。一方面，系统将继续提升模拟环境的真实度和训练的针对性，为操作人员提供更加高效、便捷的训练方式；另一方面，随着无人机技术的不断成熟和普及，警用无人机在不同的领域都发挥着日益重要的作用，无人机虚拟仿真系统内支持多种机型，已经可以悬配的部件例如红外线照相机，喊话器等，实时计算警用无人机各种转速信息，提高训练准确性，可以执行例如多维度搜索、追踪监测等作战任务，为警察的技能培训提供有力的支持[7]。警用无人机虚拟仿真系统能够利用高性能计算机和先进的图形处理器，实时计算和渲染出复杂、真实的飞行环境，包括地形、建筑物、天气变化等，为操作人员提供身临其境的训练体验。该系统可以根据不同操作人员的技能水平和训练需求，自动调整训练难度和内容，提供个性化的训练方案。此外系统能够模拟各种复杂的飞行任务，如搜索救援、巡航监测、精确投放等，使警务操作人员能够在虚拟环境中熟悉和掌握不同任务的操作流程和技巧。

（三）案例分析

由于犯罪分子为躲避公安机关侦察，他们通常会选用十分隐蔽的躲藏区域，在公安侦查过程中，偏远的山区不容易侦查搜寻的深山成为了他们青睐的地点。对于山区地形及其复杂，不熟悉，大大增加了公安民警的侦查困难程度以及操作的不便性、未知性。只有我们对于情报侦查警务工作寄予高度重视，掌握及时准确可靠的数据情报，空地协同作战，才可以更高效地解决这一难题。当前无锡市持续巩固推进“太湖之鹰”警用无人机行动计划，致力于提升新质公安战斗力。通过采用虚拟仿真系统的方式，让飞手可以在模拟环境中进行飞行操作，提升技能水平。无锡公安以工作台、驾驶舱、超图“三合一”设计打造“全要素可视化”警航平台，已经实现了无人机的远程操控，根据具体的警情自动触发指挥无人机现场处置，其中无人机路径趋于可视化规划，可以检测无人机线路的合理性准确性。该系统包含激光点云快速建模、热成像等先进技术，能够帮助飞手在复杂环境中快速定位目标。通过虚拟仿真系统，飞手可以在安全的环境下进行飞行训练，提高实战能力。在救援、侦查等任务中发挥了重要作用。

四、无人机虚拟仿真系统当前存在的问题

（一）仿真度与真实度存在差异

尽管虚拟仿真技术在不断发展，但完全模拟真实飞行环境和无人机性能仍存在技术难度。例如，极端天气条件、复杂地形、机械故障等真实环境中的复杂因素难以在虚拟环境中完全复现[8]。无人机在实际飞行中依赖多种传感器数据进行导航和姿态控制，而虚拟仿真系统可能无法实时、准确地模拟这些数据，影响操作手对无人机状态的判断和控制。在真实环境中，无人机与地面控制站之间的通信可能受到等多种因素的影响导致通信延迟或中断。而虚拟仿真系统往往无法完全模拟这种通信延迟，使得飞手在训练中难以体验到遇到真实的通信问题该如何处置。

（二）系统训练环境单一

警用无人机虚拟仿真系统提供的环境较为单一，无法高效准确的还原模拟公安实战情景易多变的情况，当发生突发事件，产生紧急状况，飞手可能无法作出准确及时的反应。此外部分虚拟仿真系统目前主要侧重于飞行技能的训练，而对于无人机在警用领域中的具体侦察应用的模拟训练相对较少，这样容易导致训练畸形，飞的好但并不一定处理的好。

（三）系统操作较为复杂

用户界面的友好性和易用性也是影响仿真度与真实度的重要因素。目前很多无人机虚拟仿真系统的操作界面比较复杂，后续指令输入相对不便，再加上无人机驾驶训练无用的操作操作较多且冗杂，给飞手、用户的体验感并不友好从而影响了无人机模拟飞行以及后续的实战应用。警用无人机虚拟仿真系统需要不断优化界面设计，提高操作便捷性和直观性，站在公安实战的角度出发，如何使操作手能够更快速、更准确地掌握无人机操作技能，更好的随机应变处理好多样的实战情况才是我们设计系统的初衷。

五、无人机虚拟仿真系统发展方向及优化策略

（一）优化用户体验

设计直观、易用的用户界面，提供丰富的交互方式和操作提示，大大提升使用的便捷度。应当与公安实战紧密结合，不在于系统水平多高深，在于方不方便，可不可靠。可以建立民警反馈机制，发放问卷定期收集用户意见和建议，这样可以清楚知道系统存在哪些不便，在公安实战中比较难以操控应对的方面，对虚拟仿真系统进行持续改进和优化。同时可以设立测试环节，邀请无人机飞手进行试用和评估，这样有助于及时发现并解决问题。制定和完善相关标准和规范，确保虚拟仿真系统的开发、测试、应用等环节符合行业标准和规范要求从而提高系统的互操作性和通用性，促进技术的普及和应用。加强与国际标准的对接和互认。通过标准化建设提升我国警用无人机虚拟仿真技术的国际竞争力。

（二）优化训练场景

优化系统内的训练场景，目前公安内无人机虚拟仿真系统普遍存在训练场景单一而且场景比较粗糙，利用高精度的3D建模和物理引擎技术[9]，构建出包括城市街道、山区地形、水域环境、复杂天气等多种场景模型，这些模型应能够真实反映不同环境下的光照、气象、物理特性等因素，为训练者提供身临其境的飞行体验。除了常规的巡逻、侦查任务外，还应模拟搜救、反恐、交通管理、环境监测等多种任务场景。这些场景应包含不同的任务目标、约束条件和突发情况，以全面锻炼训练者的应对能力。

（三）多种技术融合创新

可以将高精度的激光雷达、毫米波雷达、红外热成像等传感器技术深度集成到虚拟仿真系统中，实现对无人机飞行环境的全方位、高精度模拟，提高目标探测和跟踪的准确性。加入深度学习、强化学习等人工智能算法可以提升虚拟仿真系统的自主决策和智能控制能力。在公安具体实际复杂的战术决策过程中通过AI算法模拟，可以使训练者能在虚拟环境中体验到更真实的战场环境。同时要紧跟5G/6G通信技术的发展步伐，实现无人机与地面控制站之间的高速、低延迟数据传输。这不仅可以提升远程控制的实时性，还能支持更高质量的视频传输和实时数据分析。这就要求公安机关要加大在无人机技术、虚拟仿真技术的研发投入，跟踪行业最新动态和技术趋势。同时建立技术研发团队，与高校、科研机构等建立紧密的合作关系，通过产学研用相结合的方式，告知自身实战工作的特殊性和实用性，一切以利于操作，利于工作为前提，共同推动警用无人机虚拟仿真技术的发展和应用。

六、结语

在深入探讨了警用无人机驾驶培训虚拟仿真系统的发展现状后，我们可以清晰地看到我国在警用无人机领域所取得的显著进展以及其对警用无人机驾驶员培训带来的革命性变化。虚拟仿真技术不仅克服了传统培训模式的局限性，还通过其高度仿真、安全可控、灵活高效的特点，为学员提供了一个理想的训练平台。随着技术的持续创新和进步，警用无人机驾驶培训虚拟仿真系统会逐步向更加智能化、精准化的方向发展。未来我们可以预见，这些系统将更加紧密地结合实际应用场景，为公安实际应用提供更加贴近实战的训练内容。同时，系统的标准化与规范化也将得到进一步加强来确保培训质量和效果的一致性。中国军转民

参考文献

[1]王霞，冯艳梅.我国警用无人驾驶航空器管理规范及策略研究[J].辽宁公安司法管理干部学院学报，2020（5）：16-23.

[2]张凤翠.虚拟仿真技术在高校实验教学中的应用[J].科教导刊，2023（28）：48-50.

[3]李建国，王涛.浅析仿真技术在无人机训练中的应用[J].系统仿真技术，2023，19（02）：175-178，184.

[4]刘巧红.无人机在消防灭火救援工作中的运用实践探讨[J].消防界（电子版），2020，6（8）：36，38.

[5]王洪涛.无人机集群虚实结合半实物仿真系统的设计与实现[D].西安电子科技大学，2023.

[6] 娄旸，谭思宇.消防救援用无人机虚拟仿真训练系统设计[J].消防科学与技术，2022，41（08）：1115-1118.

[7]刘艳，刘全德.无人机飞行模拟仿真平台设计[J].科学技术与工程，2022，22（29）：12969-12976.

[8]朱康瑞.多无人机系统虚拟仿真平台的设计与实现[D].天津大学，2021.

[9]周骞.基于Unity和ROS的无人平台视景仿真系统[D].南京理工大学，2021.

（作者单位：中国人民警察大学）