一种无人机及其载荷的仿真训练系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无人机及其载荷的仿真训练系统,包括：无人机飞行控制训练系统，飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到转台系统，转台系统用于进行实时飞行姿态的响应；无人机载荷控制训练系统，载荷控制器用于将控制指令发送到稳定平台系统，稳定平台系统用于进行实时平台姿态的解算和响应；视景仿真计算机，视景仿真模块用于根据该实时飞行姿态对无人机模型以及三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，用于根据该实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景。本发明专利技术实现了对飞行控制、载荷控制的训练以及联合训练，具有高实时性和优越的可扩展性。

A simulation training system for unmanned aerial vehicle and its loads

The invention discloses a simulation training system, a UAV and payload including: no flight control training system of UAV, flight control computer is used for sending the results to the flight attitude simulation turntable system, turntable system for real-time response of flight attitude control; unmanned airborne load training system, load controller for sending control commands to the stable platform system, stable platform system for real-time platform attitude calculation and response; computer visual simulation, visual simulation module according to the real-time flight attitude for real-time rendering of the UAV model and 3D scene model to form a flight control simulation scene, according to the real-time platform attitude judgment range field and load the direction, and for combining the load field of 3D scene model for real-time rendering to form load Control simulation scene. The invention realizes the training of flight control, load control and joint training, and has high real-time performance and excellent expandability.

【技术实现步骤摘要】
一种无人机及其载荷的仿真训练系统
本专利技术属于飞行控制与仿真
，涉及无人机飞行控制与载荷控制的地面半实物仿真，尤其涉及一种无人机及其载荷的仿真训练系统，适用于飞行器飞行姿态以及载荷平台姿态及工作状态的半实物仿真试验及全系统地面试验。
技术介绍
飞行器地面半实物仿真技术在飞行器系统设计和整个研发过程中具有重要的工程意义，现已广泛的应用于航空航天领域。完整的闭环半实物仿真系统主要由仿真计算机、物理效应设备和接口设备组成，其中物理效益设备是实现系统仿真所需要的重要中间环节，用于模拟复现真实世界的物理环境，但这些设备的引入必然给仿真系统带来失真和误差，其动态特性、静态特性和时间延迟都将对整个仿真系统的置信度和精度产生重要影响。实时性是衡量半实物仿真系统仿真能力的关键指标。飞行仿真转台是进行飞行器飞行姿态地面半实物仿真试验的重要物理效应设备，具有内、中、外三个框架，用于模拟飞行器在空间姿态角度和角速度的变化，其主要功能是模拟飞行器三个自由度的角运动，复现飞行器的姿态角；在仿真回路中，接收并跟踪仿真机发送的三框位置指令信号，将其转换为可被传感器测试的物理运动，为被测试件提供试验条件。飞行仿真转台的性能优劣直接关系到仿真试验的可靠性和置信度，是保证航空、航天系统精度和性能的基础，因此对转台提出了较高的技术指标。目前转台系统一般采用集散控制系统机制，并具有位置模式、速率模式和仿真模式三种工作模式。随着网络通信技术的发展，飞行仿真转台在用于半实物仿真试验时，已逐渐由独立试验转台变为包括转台在内的多个相关实验设备同时进行联网的仿真试验，甚至形成更大规模的半实物仿真试验网络，以满足越来越复杂的仿真试验要求。可见，研究一种可联网控制并具有高实时性的飞行仿真转台具有重要的实际意义。由于四合一光电载荷系统操作过程比较复杂，一般需要专业的操作手才能在实际任务过程中完成操作。开发一种具有高仿真度的任务训练仿真系统具有重要的实际意义与应用价值。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术提出了一种可实现无人机飞行控制训练以及载荷控制训练的无人机及其载荷的仿真训练系统。本专利技术的技术方案为：一种无人机及其载荷的仿真训练系统,包括：无人机飞行控制训练系统、无人机载荷控制训练系统和视景仿真计算机；所述无人机飞行控制训练系统包括三轴飞行仿真转台系统和飞行控制计算机，其中，所述飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到所述三轴飞行仿真转台系统，所述三轴飞行仿真转台系统用于对该仿真的飞行姿态结果进行实时飞行姿态的响应；所述无人机载荷控制训练系统包括稳定平台系统和载荷控制器，其中，所述载荷控制器用于将控制指令发送到所述稳定平台系统，所述稳定平台系统用于根据该控制指令进行实时平台姿态的解算和响应；所述视景仿真计算机上建立有无人机模型、载荷平台模型和三维场景模型；所述视景仿真计算机包括一视景仿真模块，所述视景仿真模块用于根据实时飞行姿态对所述无人机模型以及所述三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，所述视景仿真模块还用于根据实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对所述三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景。进一步地,所述飞行控制计算机通过由光纤交换机组建而成的反射光纤网络与所述三轴飞行仿真转台系统进行通信。进一步地,所述飞行控制计算机与所述三轴飞行仿真转台系统之间的通信采样中断响应机制，采样周期设定为1ms。进一步地,所述稳定平台系统采用双轴陀螺稳定平台系统。进一步地,所述三维场景模型包括可见光三维场景模型和红外三维场景模型。进一步地,所述三维场景模型包括地形模型、目标模型和环境模型。进一步地,所述地形模型采用分形地形生成法模拟生成，并且所述地形模型的所需数据为SRTM数据，所述地形模型的纹理模型通过航空影像拼接而成。进一步地,所述视景仿真模块用于将所述飞行控制仿真场景和所述载荷控制仿真场景融合成为一个联合训练仿真场景。本专利技术所述的无人机及其载荷的仿真训练系统的有益效果为：本专利技术可以实现对无人机飞行控制的训练、对载荷控制的训练以及对无人机飞行控制与载荷控制的联合训练。本专利技术使用光纤交换机，可方便组建反射光纤网络，具有高实时性并且可扩展能力强的优点；本专利技术中飞行控制计算机与三轴飞行仿真转台系统之间的通信采用中断响应机制，实现采样周期为1ms，提高了整个系统的跟踪速度、实时性及可靠性；本专利技术添加红外三维场景模型、天气模型等，使得整个系统具有丰富的训练功能，能实现全天候的模拟训练。基于上述设计，本专利技术具有高实时性和可扩展性的优势，弥补了现有训练仿真系统的不易扩展，尤其是实时性不够高的缺陷，适用于更多一般及复杂飞行器及其载荷的训练仿真试验需求，并且容易实现多种仿真功能的扩展，具有更高的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术所述的无人机及其载荷的仿真训练系统的硬件组成图；图2为本专利技术所述的无人机及其载荷的仿真训练系统的软件组织关系图；图3为本专利技术所述的无人机及其载荷的仿真训练系统的软件部署示意图；图4为本专利技术所述的双轴陀螺稳定平台模型的示意图；图5为本专利技术所述的红外三维场景的仿真流程图；图6为本专利技术所述的地形模型示意图；图7为本专利技术所述的地面目标示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。如图1至图7所示，本专利技术提供了一种无人机及其载荷的仿真训练系统,包括：无人机飞行控制训练系统，其包括三轴飞行仿真转台系统和飞行控制计算机，其中，所述飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到所述三轴飞行仿真转台系统，所述三轴飞行仿真转台系统用于对该仿真的飞行姿态结果进行实时飞行姿态的响应；无人机载荷控制训练系统，其包括稳定平台系统和载荷控制器，其中，所述载荷控制器用于将控制指令发送到所述稳定平台系统，所述稳定平台系统用于根据该控制指令进行实时平台姿态的解算和响应；视景仿真计算机，其上建立有无人机模型、载荷平台模型和三维场景模型，所述视景仿真计算机包括一视景仿真模块，所述视景仿真模块用于根据该实时飞行姿态对所述无人机模型以及所述三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，所述视景仿真模块还用于根据该实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对所述三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景。本专利技术包括无人机飞行控制训练系统和无人机载荷控制训练系统两个部分，可以利用无人机飞行训练系统进行无人机飞行训练，利用无人机载荷控制训练系统进行无人机载荷控制训练，还可以利用二者进行联合训练。在一个优选的实施例中，本专利技术所述的仿真训练系统主要包括硬件和软件系统两大部分，系统硬件组成和相互连接关系如图1所示。三台工控机分别为目标定位计算机、视景仿真计算机和飞行控制计算机，目标定位计算机与飞行控制计算机主要用于运行目标定位软件与飞控地面控制软件，为普通工业控制计算机，视景仿真计算机需运行较多的仿真模型与三维视景，需配置4G以上内存和1G以上高速显卡。目标定位计算机通过视频线缆接收视景仿真计算机实时产生的图像，需配置图像采集卡。三台工控机之间两两采用RS422串口进行通信。软件与模型设计是本专利技术所述的仿真训练系统的主体，主要包括模型软件和控制软件，模型软件包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,包括：无人机飞行控制训练系统、无人机载荷控制训练系统和视景仿真计算机；所述无人机飞行控制训练系统包括三轴飞行仿真转台系统和飞行控制计算机，其中，所述飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到所述三轴飞行仿真转台系统，所述三轴飞行仿真转台系统用于对该仿真的飞行姿态结果进行实时飞行姿态的响应；所述无人机载荷控制训练系统包括稳定平台系统和载荷控制器，其中，所述载荷控制器用于将控制指令发送到所述稳定平台系统，所述稳定平台系统用于根据该控制指令进行实时平台姿态的解算和响应；所述视景仿真计算机上建立有无人机模型、载荷平台模型和三维场景模型；所述视景仿真计算机包括一视景仿真模块，所述视景仿真模块用于根据实时飞行姿态对所述无人机模型以及所述三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，所述视景仿真模块还用于根据实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对所述三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景。

【技术特征摘要】
1.一种无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,包括：无人机飞行控制训练系统、无人机载荷控制训练系统和视景仿真计算机；所述无人机飞行控制训练系统包括三轴飞行仿真转台系统和飞行控制计算机，其中，所述飞行控制计算机用于将仿真的飞行姿态结果发送到所述三轴飞行仿真转台系统，所述三轴飞行仿真转台系统用于对该仿真的飞行姿态结果进行实时飞行姿态的响应；所述无人机载荷控制训练系统包括稳定平台系统和载荷控制器，其中，所述载荷控制器用于将控制指令发送到所述稳定平台系统，所述稳定平台系统用于根据该控制指令进行实时平台姿态的解算和响应；所述视景仿真计算机上建立有无人机模型、载荷平台模型和三维场景模型；所述视景仿真计算机包括一视景仿真模块，所述视景仿真模块用于根据实时飞行姿态对所述无人机模型以及所述三维场景模型进行实时渲染以形成飞行控制仿真场景，所述视景仿真模块还用于根据实时平台姿态判断载荷视场的范围和方向，以及用于结合该载荷视场对所述三维场景模型进行实时渲染以形成载荷控制仿真场景。2.如权利要求1所述的无人机及其载荷的仿真训练系统,其特征在于,所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文，王诚，皮祖成，蔡伟，马龙，
申请(专利权)人：彩虹无人机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13