基于Creator/Vega Prime 的无人机着舰仿真验证系统设计

2012-06-10李华伟王家星李红光王广彪

中国电子科学研究院学报 2012年4期

李华伟，王家星，李红光，王广彪

(1. 中国电子科技集团第54 研究所，石家庄 050081;2.北京航空航天大学无人驾驶飞行器设计研究所，北京 100191)

0 引言

无人机在陆战场的显赫战绩促使无人机正式踏入海战，舰载无人机的出色表现向整个世界展示了无人机应用于海战的广阔前景［1］，因而受到各海军强国的重视，世界各国纷纷投入巨大人力物力进行研究。对于我国而言，面对南海争端、钓鱼岛主权等问题和日益复杂的国家海洋安全形势下，如何迅速提升和发展我国无人机的海上作战能力并解决无人机的着舰能力至关重要。

无人机着舰关键技术验证是研究无人机着舰技术的重要手段和制约无人机海上作战推广的重要因素之一。常规的着舰技术验证手段是在陆基上设计降落区域与环境，以“着陆”代替“着舰”进行半实物仿真［2］。虽然这种方法能够一定程度上解决无人机着舰技术的验证问题，但存在花费巨大、海基场景模拟不真实等缺陷［3］。随着虚拟现实技术的迅速发展，利用计算机环境构建逼真的无人机着舰场景成为可能。较“陆基着舰”的半实物仿真方法，虚拟现实着舰技术具有成本低、海基场景逼真度高、系统配置灵活等优点［4］。

1 系统设计概述

利用VegaPrime 平台，对无人机着舰系统进行结构分析，基于模块化低耦合的设计原则进行设计，以满足无人机着舰仿真任务的灵活配置。

依据仿真演练任务的要求，系统可以对着舰过程进行高逼真模拟。功能上，系统具备仿真场景配置、飞行控制植入、视景及环境驱动、飞控任控操纵、飞行参数显示及存储和参考图像输出等功能。结构上，系统由场景控制模块、飞行数字仿真模块、飞行任务控制模块和参数显示存储模块组成。为了更加高效地实现对着舰关键技术的验证，在设计上系统采用低耦合模块化开放式设计，使模块的输入输出接口通用明了，方便模块的修改和更换。这样就增加了系统对不同任务需求的兼容性。

根据上述功能和结构的要求，无人机着舰仿真系统流程图，如图1 所示。

图1 无人机着舰仿真系统方案流程图

无人机着舰仿真系统的工作流程是，作战指挥员根据飞行控制验证需求和飞行场景需求制定演练任务，系统自动配置相应的飞行仿真模块和场景模块。人机交互中心的飞行任务控制模块、显示模块与飞行数字仿真模块通过透明的遥控遥测协议进行数据通信。视景控制模块根据任务演练的场景需求对飞机、舰船、地形及环境进行配置调度，并将产生的模拟图像输入到显示模块。显示模块将接收到的遥测数据进行显示及数据存储方便数据回放使用，同时根据任务载荷的状态生成任务图像。图像导航算法模块把任务图像作为输入数据源，通过事先设计的导航着舰算法得到视觉辅助着舰的信息，并将该信息发送至飞行数字仿真模块作为参考。综上所述，基于该设计方案的无人机着舰仿真系统具备多样化任务模拟、操纵手训练和关键技术验证等三大功能。

2 着舰场景仿真设计

2.1 三维模型的创建

该系统采用Multigen Creator 建模工具对模型进行几何建模。MultiGen Creator 是由MultiGen Paradigm 公司开发的一个用于三维建模和编辑的交互式工具软件，它提供多种平台的版本(Windows、UNIX)［3］。Creator 是一个强大的三维建模工具，每一平台都包含了一个公用的用户接口和一个适应特定平台的特殊软件子系统，这种设计使得用户可以利用特定的扩展工具将基本的3D 建模程序包改造成适用于某种特定的应用。Creator 采用OpenFlight 数据格式，许多虚拟现实(VR)系统都与它兼容，该格式已成为事实上的虚拟现实及仿真界的三维模型数据格式的工业标准。

三维视景模型包括海洋环境、飞机、舰船、气候和特殊环境、特殊效果等。这些模型中，实体本身不会发生较大变化的实物类模型(如舰船)主要在Creator中建立。对于模型复杂、细节程度要求高的模型(如飞机)的创建，主要根据外观模型的几何参数，在Creator 中先建立基本的轮廓，然后将重点部位用Creator的命令将它独立出来进行重点处理，采用3DsMax/Maya 辅助Creator 进行实体建模的方法，大大提高了模型的逼真度。某些自然环境特效(如雾、雨和海浪等)和特效(如烟火、爆炸)需要在程序中随人机交互或事件响应而变化，由程序动态生成，通过VC++和Vega Prime 平台的API 函数动态创建并渲染而成。

2.2 视景仿真流程设计

基于Creator/Vega Prime 的仿真视景呈现一般可分为三维建模、仿真配置和程序调度三个阶段，如图2 所示。

图2 视景仿真流程图

首先利用Creator 工具对飞机、舰船和地形等进行几何建模。生成可被Vega Prime 环境识别的FLT 模型文件。然后，在Vega Prime 环境中建立ACF 仿真程序链接文件。在ACF 文件中需要完成加载所需模型，初始化模型的位置状态等信息，定义环境因素(如风、雨、雪和海浪等)，配置飞机、舰船等模型显示调度方式及无人机着舰场景的驱动方式等工作。上述过程完成后，进入程序设计环节。该系统采用VS2008 编译环境，利用VegaPrime 的C++开发接口，通过对配置完成的ACF 文件进行数据访问，实现着舰视景的最终呈现。

2.3 舰船运动分析及视景仿真

着舰仿真效果的好坏很大程度上决定于系统的舰船运动建模与视景仿真的性能。由于受到海面风浪等影响，舰船在海面上的运动是多种运动的复合。其中，舰船本身的运动可以看成是一点在世界坐标系中的运动，这种运动可以通过匀速运动、变速运动等模型或公式来建模描述。但是整个舰船作为一个大的平面坐落在海面上，受海面风浪作用而产生的运动是十分复杂的。依据现有的研究基础［5，6］，把这一运动分为横摇、升降和纵摇，如图3 所示。

图3 舰船受风浪作用产生的运动示意图

利用数学工具分析，这三个基本运动符合简谐摇荡运动，设航母的横摇角、升降高度和纵摇角，则满足式(1)所示

式中，A、B、C 为横摇角、升降幅度和纵摇角度的最大值;Tθ、Th、Tϑ为横摇、升降和纵摇周期;δθ、δh、δϑ为随机相位。

为了逼真模拟舰船在风浪作用下的视景，在VegaPrime 的Pacific 设计中，加入了MarineWaveGeneratorFFT 模块。该模块主要用来产生和设置海浪的波动。在Env 设计中加入了EnvWind 模块用来模拟海风。然后把舰船模型与海浪相关联。实验证明该方法能够比较真实的模拟舰船在海浪中的运动。

3 关键技术仿真与验证设计

3.1 飞行数字仿真与验证

在无人机仿真着舰过程中，飞行数字仿真直接体现了飞机的机动性能，关系到仿真验证的有效性，因此是无人机着舰仿真验证系统设计的关键。该模块用于模拟飞机及机载设备的状态，接收人机交互中心的遥控指令，并以此作为输入通过数字模型模拟出全机的运行状态，按照一定的遥测帧结构编码下发。

由图1 所示，飞行数字仿真模块的外部接口有4 个，即演练任务需求接口、图像导航反馈接口、遥控接口和遥测接口。该系统以智能可控飞行器为研究实例对四个接口进行了标准定义，以便模块的验证与修改，具体定义见表1。

表1 接口定义

从内部结构分析，飞行数字仿真主要由飞行器平台仿真模块、发动机系统仿真模块、机载设备仿真模块、风干扰仿真、飞行控制与管理模块构成。各模块之间的内部接口关系如图4 所示。

图4 飞行数字仿真内部接口关系图

图4 中，各模块仿真内容描述如下。

(1)飞行器平台仿真模块

飞机平台仿真建模是系统仿真模拟工作的基础，采用六自由度非线性飞机模型，在此基础上，考虑到地球椭偏率、内部质量分布不对称和弹性变形等影响对所建立的飞机模型进行相应的修正。该模块主要是实现对飞机平台的建模仿真。根据背景无人机的吹风气动参数，综合考虑地效、内部质量分布不对称、地球曲率和弹性变形等多方面因素，建立一个背景无人机的数字飞机模型。

输入数据:飞机初始位置，初始速度，飞行控制律解算的舵偏指令，飞行阶段，起落架状态，推力，耗油率。

仿真模型及算法:质心动力学方程，刚体转动的动力学方程，质心运动学方程，转动运动学方程，地面滑跑模型，地效处理模型，四阶龙格－库塔积分算法。

输出数据:经度，纬度，高度，空速，地速，俯仰角，横滚角，航向角。

(2)发动机系统仿真模块

该模块根据高度，桨距位置等参数，进行发动机推力的计算。

输入数据:飞行高度，飞行速度，桨距位置，节风门位置。

仿真内容:推力数据包的解算。

输出数据:转速，推力，耗油率。

(3)机载设备仿真模块

包括机载传感器和伺服作动设备。

①传感器仿真

输入数据:各传感器的输入信号、故障字和故障参数。

仿真内容及算法:传感器仿真模型和传感器误差算法。

输出数据:传感器输出信号。

②舵回路仿真模块

该模块主要实现升降舵、方向舵、副翼、节风门舵机的仿真模拟。

输入数据:舵偏指令。

仿真内容:升降舵舵机仿真，方向舵舵机仿真，副翼舵机仿真，节风门舵机仿真。

输出数据:舵偏位置。

(4)风干扰仿真

研究大气扰动对飞机运动的影响，需要建立描述大气扰动现象的数学模型。大气扰动场包含风速、风向、温度等空间和时间变化，也包含降水(雨、雪等)特性。大气扰动主要是指运动空气团的动力学特性，重点是风速、风向特性。根据需要，重点研究三种常用的工程模型风:常值风、紊流和离散突风［7］。

输入数据:风类型，飞行高度，飞行速度，持续时间。

仿真模型:常值风模型，紊流仿真模型，离散突风模型。

输出数据:三个地轴系方向的风速。

(5)飞行控制与管理模块

继承背景无人机的飞行控制与管理软件，主要实现飞行控制、导航控制与管理，遥控遥测、任务设备管理及安全管理。

输入数据:飞行器平台运动信息。

仿真内容:屏蔽硬件底层，调整传输接口及协议。

输出数据:舵偏指令，离散量指令。

3.2 图像导航算法仿真与验证

在无人机着舰过程中，舰船本身的运动附加风浪的冲击，致使无人机GPS 导航系统无法精准找到着落点。引入图像导航模块显得十分必要。事实上，美国多型号无人机都已加载视觉着陆/着舰模块，并计划在不久的将来实现视觉自主取代人工干预［8］。因此，图像导航是无人机着舰系统的一项关键技术。

较陆基半实物仿真，本系统能够利用虚拟现实技术模拟舰船在海浪中的运动，并根据任务图像进行图像导航算法的仿真与验证。

(1)红外图像模拟

由图1 可见，图像导航模块有两个外部接口，一个是与人机交互中心显示模块的图像接口，另一个是与飞行数字仿真模块的参数接口。图像导航模块输入任务模拟图像(RGB 格式)，输出舰船位置、航向和着舰点位置。

受海面环境影响，着舰图像导航的数据来源一般以红外图像为主可见光图像为辅。该系统利用Vega Prime 的红外仿真模块，分两步实现红外侦察图像模拟。首先利用Vega Prime 中Channel 技术，根据侦察相机参数显示相应的侦察区域。然后利用Vega Prime 中的红外场景生成技术，对侦察图像进行红外处理，得到红外图像。

总体来说，红外场景的生成可以分为数据生成和程序构造两个阶段。数据生成阶段的任务是生成仿真所必需的三维模型数据、纹理材料映射数据及大气数据库等［9，10］。程序构造阶段利用Vega Prime 场景生成开发包，Visual C++完成红外场景生成仿真程序编写。

数据生成阶段中纹理材料映射数据描述模型表面材料的辐射信息，大气数据库描述红外场景生成的环境信息，分别可使用Vega Prime 提供的TMM工具和MAT 工具来生成，流程如图5 所示。

图5 红外图像生成流程图

其中vpObject 用来读取背景及目标的几何模型;vpIRAttribute与vpObject绑定，用来描述具有红外特性的物体。vpIR 描述了计算精度和温度许可范围等全局信息，vpIRsceneGen 接受这些输入，生成理想的红外场景;vpIRSensor 用于把vplRSceneGen产生的图像进一步处理，添加上探测器效应以生成现实红外成像系统产生的图像。

根据对场景的控制需求，把天空和海面背景分别与vpIRAttribute 绑定，这样可以做到对天空和海面背景的分别控制，比如可以为天空背景平均温度和海面背景平均温度进行不同的设置。

(2)导航流程设计

根据实际着舰需求和图像特点，图像导航设计可以分为三个阶段:远距离舰艇位置探测、中距离跑道平面定位和近距离着舰位置定位。具体体现在5000 m 距离红外图像目标可探测，完成对舰艇位置的定位;1000 m 距离可见光图像目标可探测，完成对跑道平面的定位;500 m 合作目标形状可识别，完成着舰方向引导和位置定位。

实现流程如图6 所示。

图6 图像导航设计流程图

4 系统实现与结论

根据上述的设计方案及实现方法，在智能可控飞行器模拟训练站硬件基础上进行了基于Creator/Vega Prime 的无人机着舰仿真验证系统的设计。硬件上采用分布式网络化设计，如图7 所示。一共有6 个席位组成，分别是飞行控制台、飞机及机载链路模拟台、任务控制模拟台、地面链路模拟台、着舰视景仿真台和图像导航仿真台。