无人机仿真平台及虚拟测试解决方案

2015-03-27 来源：ck365

概述

近年来无人机在国防和民用领域发展迅速。无人机操控人员的训练、无人机仿真测试的需求的越来越大。为此，本方案搭建了无人机作战仿真推演平台，该平台能够通过错综复杂的战场仿真来实现进行无人机驾驶员的操控训练，无人机的智能算法测试，无人机作战性能测试等功能。同时具有功能完善的人机交互终端和三维视景显示功能。

方案介绍

1.1 系统架构

如下图所示，无人平台仿真平台主要包括四部分内容：作战想定及推演系统、地面站系统、装备仿真系统（包括无人机系统、有人机系统和其他武器装备系统）、三维视景系统。图中括号内为各子系统中有代表性的货架产品、定制模型和相关硬件平台。系统各个部分可以通过实时网络进行数据传输。

无人装备仿真平台系统组成

1.2 系统功能

1.2.1 作战想定生成及推演系统

作战想定生成及推演系统以Presagis公司战场仿真推演平台软件STAGE为核心，可生成作战环境、集成武器装备模型、植入无人机智能算法、编辑作战想定、完成战场推演功能。

1.2.1.1 作战想定生成系统

作战想定生成系统包括作战兵力生成和作战任务部署两个部分。

作战兵力生成：主要完成战场中兵力的生成和部署，为整个测试环境提供敌、我、临、指四方面的兵力部署情况以及传感器、武器携带情况，主要由STAGE的兵力模型编辑部分完成。

• 作战兵力设置：STAGE提供大量作战实体的数学模型，并可以根据需要对这些参数进行设置，自定义武器装备。如果自带模型不能满足要求，可以接入第三方的细粒度模型或接入半实物仿真系统；

• 作战兵力布署：根据作战想定对作战实体进行布置。可以精确地布置实体的位置，如设置飞机的坐标、朝向等，也可以在指定区域按一定规则随机布置兵力，如地面防空导弹阵地、地面雷达阵地。

兵力生成编辑界面

作战任务部署：STAGE的任务编辑器能够完成作战任务设置，使战场中的作战单元能够根据指定的命令执行任务。比如执行目标点攻击任务、指定区域巡逻任务、目标跟随任务等。

作战任务编辑界面

1.2.1.2 作战推演系统

作战推演系统是无人平台仿真的核心系统，主要由STAGE的Simulation Engine实现，包括一个仿真引擎和各种基础仿真模型，基础功能包含装备模型的调度、作战任务的推演、仿真过程数据监控等。并且实时输出作战信息，完成二维态势的更新。

作战推演界面

1.2.1.3 无人机智能算法植入系统

将无人机特有的智能决策算法，比如自主航路规划、威胁评估、任务分配以及机动动作等智能决策算法模型植入到战场仿真推演平台中。该过程共分为五个步骤：

• 算法接口适配：在推演系统调用m语言、C/C++语言、simulink算法接口，主要包含初始化接口、运行控制接口、循环执行接口、资源释放接口；

• 作战数据接入：将推演系统中的作战信息传入算法中，比如空战态势威胁评估算法需要的威胁目标的位置、速度、朝向等；

• 参数接口适配：可以离线或实时调整算法参数；

• 作战想定设计：根据智能决策算法测试要求设计合理的作战想定，比如适合任务分配和机动动作算法仿真的一系列空空对战想定；

• 算法功能测试：进行仿真推演并可以动态干预，实时输出仿真运行结果。

智能决策算法植入流程

1.2.2 无人机地面站系统

无人机地面站系统为无人平台任务规划和操控中心，实现针对无人机的人在环控制。由Presagis公司的HMI设计软件VAPS -XT制作人机交互终端，终端显示无人机的各种飞行参数、飞行路线、以及无人机传感器的三维可视化信息。并可以在推演前设置无人机航路/路径、编队、任务等，在推演时可以实现运动控制以及无人平台的信息采集系统控制等功能。

无人平台任务规划系统界面

无人平台地面监控系统界面

1.2.3 装备仿真模型系统

在无人机仿真中，对于重点关注的武器装备需要接入武器装备细粒度模型，包含各分系统模型、环境模型、自动驾驶导航控制模型等，这些模型还可以在半实物实时仿真平台下，实现分布式仿真，驱动推演系统中无人机和其它装备的实时运行，可完成多机多模型的实时并行解算。

1.2.3.1 无人机仿真模型

本方案根据无人平台种类提供不同类型的通用商业建模软件或自制模型，包括固定翼飞机、旋翼飞机、地面车辆等。以固定翼无人机建模软件为例，采用FlightSim飞行仿真建模软件，其技术特性如下：

• 根据空气动力学参数，参数化定义不同精度的模型；

• 为任意固定翼飞机实时仿真编辑、配置完整的空气动力学模型，而不需要编写任何代码；

• 在可控仿真条件下测试飞行器的设计和性能；

• 配置各子系统的行为，包括飞行管理系统、自动驾驶仪以及飞行控制系统；

• 方便快速地集成硬件设备和用户自定义模块。

1.2.3.2 仿真系统硬件

在无人平台仿真中，针对多模型并行和实时性的要求，如多架无人机的攻防对抗，本方案引入美国并行计算机公司concurrent的iHawk并行计算机半实物仿真系统，可实现多模型的实时并行解算。

1.2.4.三维视景系统

三维视景系统由三维模型创建系统、三维地形生成系统以及三维视景可视化系统三部分组成。主要完成武器装备三维模型及精细地面地形创建（Creator）、大规模作战地形生成（Terra Vista、SEGen）和三维视景可视化渲染及显示（Vega Prime）。地形信息能够同步的传输给作战仿真推演系统和三维视景渲染系统，并可以根据需要将虚拟视景的实时信息作为输入反馈给无人平台的战场图像感知系统，用于地形匹配、目标跟踪或目标识别研究，各分统采用实时网络进行互联和通讯。

2、方案优势

方案以STAGE战场仿真推演平台为核心，结合武器装备的粗粒度/细粒度模型以及并行实时半实物仿真系统，植入无人机的智能算法，在虚拟战场环境下完成无人机操控和空战仿真、无人机智能算法的测试。同时可设计满足要求的人机交互操控终端，可以实时获取所需参数进行人在环控制，并通过三维视景系统显示战场信息，典型的优势特点提炼如下：

• 专业性

基于先进的成熟COTS产品，遵循业界标准（TCP/UDP、HLA、CDB、OpenFlight、DO-178B/C、ARINC661、ARINC424等）。产品链覆盖从三维内容创建到仿真模型创建和集成，再到到三维视景显示和人机交互控制。既可以实现完整的仿真功能开发，每个组成部分又可以拆分复用。恒润科技及Presagis原厂可提供深度的技术支持。

• 扩展性

丰富的API支持模型、子模型的替换，支持作战实体和作战环境信息提取。

• 多用性

（1）可以根据需求设置多种精确度/保真度。如仿真模型的细粒度，三维地形的精度，实时传输精度等。

（2）可完成多种仿真任务，如：无人机驾驶训练、无人装备战场能力评估、装备特性蒙特卡洛仿真等。

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无人机仿真平台虚拟测试

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