察打一体型无人机自主飞行控制虚拟仿真实验教学项目依托军用导航国家级实验教学示范中心和空军唯一的无人机实验中心建设,为本科生专业方向必修课《无人机制导控制》、《无人机系统概论》提供实验支撑。
察打一体型无人机是当前最先进的航空装备之一,主要执行战场目标区域的持久侦察/监视和对地打击任务。由于无人机“机上无人,人在地面”,决定了无人机必须具备很高的自主控制能力,自主飞行控制成为无人机完成作战任务的主要控制模式。所谓自主飞行控制是指根据作战任务生成控制指令,对无人机进行自主起飞、三轴姿态保持、轨迹跟踪、进场着陆等一系列控制的工作模式。由于控制过程复杂、运动抽象、参变量多,且需要“机-站-链”配合,导致操作复杂、成本高昂,无人机自主飞行控制难以开展系统化、真实化的实装飞行实验。
项目建设旨在构建“机-站-链”一体的大闭环自主飞行控制虚拟仿真实验环境,针对察打一体型无人机侦察、打击作战中典型的姿态、轨迹自主控制过程开展虚拟仿真实验,再现无人机任务飞行的真实场景,还原自主控制中姿态变化、飞行轨迹、运动参数、舵面偏转的动态过程,探究控制参数对自主控制性能的影响规律,实现抽象概念形象化、动态过程立体化、变化规律明晰化,有效解决自主飞行控制实装实验难以开展、成本高昂的局限性。实验目的如下:
(1)理解无人机空间运动表示方法,培养学生的空间运动认知能力。
(2)掌握无人机自主姿态、自主轨迹、半自主航向、半自主高度控制的基本原理、控制过程和参数变化影响规律,支撑无人机制导控制、无人机系统概论等专业核心课程的实验教学。
(3)突破传统飞行控制实验的时空限制,实现学生自主学习和自主实验,提升无人机自主飞行控制实验教学效果。
(4)促进学生对作战任务牵引下典型自主控制过程的理解,强化战技融合素养,提升岗位任职能力。
察打一体型无人机自主飞行控制虚拟仿真实验教学项目国家级一流课程
- 所属专业类:航空航天类
- 对应专业:无人驾驶航空器系统工程
- 课程类型:专业核心课
- 实验类型:综合设计型
项目针对察打一体型无人机侦察、打击作战中典型的姿态、轨迹自主控制过程开展虚拟仿真实验。通过三维建模、虚拟仿真、人机交互等技术,再现无人机任务飞行的真实场景,还原自主控制中姿态变化、飞行轨迹、运动参数、舵面偏转的动态过程,实现抽象概念形象化、动态过程立体化、变化规律明晰化,使学生理解无人机空间运动表示方法,掌握自主飞行控制的基本原理、控制过程及参数变化影响,培养学生的创新实践能力,强化战技融合素养。
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实验内容
4.9操作系统
4.9支持服务
4.7
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- 浏览量 40842
- 实验人次 2903
实验人次,是指用户参与并完成实验的总人次,同一个用户可以做多次实验,在实验完成后,实验人次会依次累加。"
- 实验人数 2028
“实验人数”是指参与实验的用户总人数。注意:
1.同一个用户多次实验,实验人数只统计为1人,不累加;
2.“实验人数”只统计已回传成绩的用户人数总和;
3.“已回传成绩”指学生完成实验后,实验接口成功返回学生实验数据;
4.验证“已回传成绩”的方式:参与实验人员可以在个人中心-我的项目-我的成绩中查看是否可以进行“实验评价”,实验负责老师可以在申报管理-成绩查看中查看是否有学生成绩;
5.共享应用中的所有统计数据均在每日0点~1点更新。
- 实验平均用时 13'
- 实验完成率 88%
“实验完成率”是指完成实验的次数占参与实验总次数的百分比。
- 实验通过率 按人次 68.6%按人数 86.4%
实验通过率”是指实验完成,实验成绩60分及以上的人次和人数占实验总人次和总人数的百分比。
- 优秀 31.28%
成绩≥85
- 达标 37.31%
60≤成绩<85
- 不达标 31.42%
成绩<60
实验系统浏览器要求
教学支持热线
团队成员
1.实验原理简要阐述
项目面向察打一体型无人机遂行的侦察、打击作战任务,模拟真实战场环境和飞行场景,构建“机-站-链”一体化自主飞行控制虚拟仿真实验环境。针对侦察、打击作战中典型的姿态、轨迹自主控制过程开展虚拟仿真实验,通过三维建模、虚拟仿真、人机交互等技术,再现无人机任务飞行的真实场景,还原自主控制中姿态变化、飞行轨迹、运动参数、舵面偏转的动态过程,探究控制参数对自主控制性能的影响规律。
(1)实验功能框架
实验操作环境包括实践教学和实验服务两大功能模块,如图1所示。实践教学模块实现自主飞行控制虚拟仿真功能,包括空间运动认知、全自主飞行控制、半自主飞行控制三个实验模块,各个实验模块既能独立运行又可相互衔接。实验服务模块配合实验全过程的实验指导、知识学习、考核评价、交流讨论,并在后台全流程记录、分析和评价学生实验中的操作信息,形成实验行为和效果的系统、快捷、准确、公平评价。
无人机空间运动基于坐标系和运动参数来描述,通过偏转操纵面来实现。
坐标系描述主要包括地面、机体、速度、航迹四个坐标系的原点、轴向定义、功能等知识描述。坐标系的原点有地面上某一点、飞机质心两种情况可供选择。Ox轴沿水平面内某一方向、飞机轴线或速度方向定义,Oy轴、Oz轴按照右手法则确定。坐标系用于描述无人机的惯性运动、机体转动、空气动力、质心轨迹。
运动参数描述主要包括姿态角、航迹角、气流角三类8个角度的空间定义、符号描述。姿态角有3个,由机体坐标系与地面坐标系之间的关系来定义。航迹角有3个,其中的航迹方位角、航迹倾斜角由地面坐标系和航迹坐标系之间的关系来定义,航迹滚转角由航迹坐标系和速度坐标系之间的关系定义。气流角有2个,由速度坐标系与机体坐标系之间的关系来定义。
察打一体型无人机布置有副翼、襟副翼、襟翼、升降方向舵四类10个操纵面,操纵面偏转主要涉及操纵面的名称、功能及偏转极性描述。机翼设有襟翼、襟副翼和副翼,V型尾翼设有内侧升降方向舵和外侧升降方向舵。在起降阶段,襟翼用于起降增升,襟副翼做襟翼使用,在飞行阶段,副翼用于滚转操纵,襟副翼做副翼使用,升降方向舵执行纵向俯仰与航向操纵。通常采用由机尾后视,按照操纵面的后缘偏转方向来定义操纵面的偏转极性。操纵面的正向偏转总是产生负的操纵力矩。
空间运动认知实验用于培养学生的空间运动认知能力,为全自主飞行控制、半自主飞行控制两类实验奠定空间运动描述基础。
图1 实验功能框架
(3)“全自主飞行控制”模块的实验原理
实际的察打一体型无人机装备是一套无人机系统,包括了空中的无人机平台(机)、地面的指挥控制系统(站)和测控链路系统(链)。而无人机的空中飞行和任务完成需要无人机平台飞行控制、地面指控站和测控链路的共同配合,从而构成了无人机系统的“机-站-链”大闭环控制回路,是一种“机上无人,人在地面”的大闭环控制系统,如图2所示。
图2 无人机系统“机-站-链”大闭环控制结构示意图
全自主飞行控制是指无人机根据作战任务生成控制指令,完成自主起飞、三轴姿态保持、轨迹跟踪、进场着陆等一系列控制的工作过程。不同作战任务生成的控制指令不同,涉及的控制过程不同。
无人机自主控制包括舵回路、姿态回路和轨迹回路三种基本回路,如图3所示。舵回路是一个伺服回路,用于改善舵机的性能以满足飞行控制系统的要求,由舵机、放大器和反馈元件组成,通常将舵机的输出信号反馈到输入端形成负反馈回路的随动系统。姿态回路由姿态传感器、放大器计算装置和舵回路组成,用于稳定无人机的飞行姿态和高度。姿态回路加上测量无人机轨迹信号的运动学传感器,以及表征无人机空间几何位置关系的运动学环节所构成的回路称为轨迹回路,轨迹回路对传感器(导航设备)感知到的无人机即时信息与理想的飞行轨迹或目标点的位置进行比较计算,得到相应的偏差,并解算出姿态回路所需的控制信号,从而完成无人机的航迹控制。
图3 无人机自主控制的基本回路
将察打一体型无人机视为刚体,无人机在空间的运动有六个自由度,即质心的三个移动自由度和绕质心的三个转动自由度。依照对称平面的几何特性将六个自由度分成纵向运动和横侧向运动两类,两类之间近似解耦、互不影响。
纵向自主飞行控制是指由控制系统对无人机纵向运动进行的自主控制,包括自主俯仰角控制、自主高度保持控制,控制结构如图4所示。无人机作为被控对象,其纵向运动的数学模型如式(1)、式(2)所描述的状态方程(各参数含义参阅文献:飞行控制系统——设计、原型系统及半物理仿真实验(徐军著,北京理工大学出版社,2015))。按照该模型,无人机的输入是升降舵和油门杆偏角,而输出就是无人机的纵向运动量,即俯仰角和角速度、迎角、飞行速度以及高度。因此,对于察打一体型无人机的纵向自主飞行控制,通过反馈纵向运动变量,并经过适当的控制律计算、控制分配,最终形成对升降方向舵和油门杆的指令偏角,进而实现对无人机纵向运动的自主控制作用。
图4 无人机纵向自主飞行控制的基本结构
横侧向自主飞行控制是指由控制系统对无人机横侧向运动进行的自主控制,包括自主侧向角控制、自主侧向偏离控制,控制结构如图5所示。横侧向运动的数学模型如式(3)、式(4)所描述的状态方程(各参数含义参阅上述文献),按照该模型,滚转角控制和侧滑角控制为控制结构核心,航向控制作为滚转角控制的外回路,而水平轨迹控制又以航向控制作为内回路。无人机的输入是副翼和方向舵,输出就是无人机的横侧向运动量,即滚转角和角速度、航向角、侧滑角以及偏航距、偏航速度。类似地,对于察打一体型无人机横侧向自主飞行控制,通过反馈横侧运动变量,并经过适当的控制律计算、控制分配,最终形成对副翼和升降方向舵的指令偏角,进而实现对无人机横侧向运动的自主控制作用。
图5 无人机横侧向自主飞行控制的基本结构
(4)“半自主飞行控制”模块的实验原理
遥调控制是指无人机在自主飞行模式下,不退出原飞行模式的情况下,地面指控站的航向指令、高度指令的遥调控制输入量叠加于当前机上相应指令,改变无人机飞行状态的工作模式。即“自主飞行控制基础上的地面站遥调叠加控制”,包括遥调控制模式下的半自主航向控制和半自主高度控制两类。控制结构如图6所示。
接通“遥调使能”开关,在遥调控制方式下,半自主航向控制通过遥控指令“向左”、“向右”、“直飞”改变无人机的飞行航向。地面指挥控制站中的飞行监控员通过指挥控制系统监控软件发送“向左”、“直飞”、“向右”遥控指令,实现对无人机航向的遥调叠加控制。
接通“遥调使能”开关,在遥调控制方式下,半自主高度控制通过遥控指令“爬升”、“平飞”、“下滑”改变无人机的飞行高度。地面指挥控制站中的飞行监控员通过指挥控制系统监控软件发送“爬升”、“平飞”、“下滑”遥控指令,实现对无人机高度的遥调叠加控制。
2.核心要素的仿真度
本实验项目模拟察打一体型无人机的真实战场环境和飞行场景,构建“机-站-链”一体化自主飞行控制虚拟仿真实验环境,通过对飞机模型、飞行阶段、状态给定、参数变化、舵面偏转、战场环境、飞行场景、机场跑道、音效战效等9类核心要素的仿真与模拟,再现无人机任务飞行的真实场景,还原自主控制中姿态变化、飞行轨迹、运动参数、舵面偏转的动态过程。项目的仿真度能够还原真实实验的教学要求、实验原理、操作环境及互动感受。
(1)飞机模型的仿真度
本实验项目以国际先进的出口型察打一体型无人机——翼龙II无人机为实验对象,在飞机气动布局、外形尺寸方面与真实飞机完全一致,飞行性能基本接近真实飞机,实现了对实体无人机形态特点、性质特征、运动特征、智能特征、控制特性、作用特征的仿真再现,如图7所示。
图7 飞机模型的仿真度
(2)状态参数的仿真度
本实验项目涉及状态给定、参数变化、舵面偏转三类状态参数。状态给定的飞行控制律、参数取值、参数范围源于真实装备,与实际装备保持一致。参数变化过程、舵面偏转的动态过程基于飞机模型和不同的状态给定得到,可以逼真反映实际装备的参数变化历程,状态参数的输入/输出取值范围与实际无人机的输入/输出属性战技指标一致性程度达到90%以上。以俯仰角控制为例,无人进行任务飞行时,给定初始俯仰角扰动,仿真时间t=30s,比例增益
、速率增益
,干扰类型为垂直风干扰,实验系统输出的俯仰角变化与实际无人机俯仰角变化的一致性对比如图8所示。
(3)飞行操控的仿真度
本实验项目设置的飞行阶段包括开始滑行、离地爬升、收起落架、继续爬升、巡航平飞、执行任务、返航着陆等,与真实无人机任务飞行的主要阶段完全一致。仿真系统描述的无人机操控特性与真实装备实际操控的方法和结果基本一致,操控流程、操控人机接口和无人机空中状态的仿真度,基本达到了真实装备飞行操控的再现要求。
图8 状态参数的仿真度:以俯仰角输出为例对比一致性
(4)环境场景的仿真度
本实验项目的环境场景主要实现战场环境、飞行场景、机场跑道的再现,如图9所示。战场环境针对实际侦察时的常规作战环境设计,飞行场景、机场跑道针对飞行时的常见场景和机场设计,任务场景的情节、过程、态势和效果的仿真度,基本达到了真实战场环境和飞行场景的再现要求。
图9 环境场景的仿真度
(5)音效战效的仿真度
本实验项目自主起飞、巡航飞行、侦察打击过程中的音效战效,利用专业软件结合实际装备合成,仿真度基本达到实际装备飞行音效战效的再现要求。
3.对应的知识点
对应9个知识点,各个知识点关联关系如图10所示,虚拟仿真实验教学完成的9个知识点完全支撑课堂理论教学,促进了学生对课堂所学知识的理解、掌握和拓展应用。
图10 知识点关联关系
- 1. 无人机地面、机体、速度、航迹四个坐标系的定义和功能
- 2. 无人机姿态角、航迹角、气流角三类角度的空间定义和符号描述
- 3. 无人机副翼、襟副翼、襟翼、升降方向舵四类操纵面的构成、功能和偏转极性
- 4. 无人机俯仰角运动的自主稳定与控制
- 5. 无人机侧向角运动的自主稳定与控制
- 6. 无人机高度保持的自主控制
- 7. 无人机侧向偏离的自主控制
- 8. 遥调控制模式下的航向控制
- 9. 遥调控制模式下的高度控制
暂无内容
序号 | 步骤名称 (100字以内) | 步骤目标要求 (100字以内) | 步骤合理用时 (分钟) | 目标达成度赋分模型 (200字以内) | 步骤满分 | 成绩类型 |
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步骤1:登录项目网址http://wrjgc.afeu.owvlab.net/vlab/wrj.html,进入网站,点击“开始实验”,进入实验系统界面(如图12)。
步骤2:点击“进入实验”,进入主界面,共有三个实验模块:坐标系认知、全自主飞行控制、半自主飞行控制,以及实验指导书、知识学习、在线测试、交流讨论。(如图18)
步骤3:获取实验指导书,了解实验目的、实验内容和实验步骤。通过知识学习模块对实验的9个知识点进行查漏补缺学习,为实验开展储备知识。
图18 实验系统主界面
①无人机空间运动认知
步骤4:点击“空间运动认知”,进入实验模块,界面显示三个子模块:坐标系认知、运动参数认知、操纵面认知。(如图19)
步骤5:点击“坐标系认知”,进入实验子模块,界面显示地面坐标系、机体坐标系、速度坐标系、航迹坐标系四个选项,右上角显示返回、帮助、全屏图标(如图20)。点击“返回”图标,返回上级界面。点击“帮助”图标,显示鼠标在实验中的基本操作(如图21)。点击“全屏”图标,全屏显示实验界面。
图19 空间运动认知模块界面
图20 坐标系认知子模块
图21 鼠标在实验中的基本操作
步骤6:点击“机体坐标系”,虚拟场景中立体显示坐标原点、Ox轴、Oy轴、Oz轴的定义,右上角给出坐标系的功能、定义(如图20)。在无人机上按压鼠标右键,拉动鼠标旋转无人机,可以从任意视角观察理解坐标系定义。点击“还原”,回到初始界面。点击右上角“返回”图标,返回上级界面。
步骤7:执行类似步骤6的操作,完成地面坐标系认知。
步骤8:执行类似步骤6的操作,完成速度坐标系认知。
步骤9:执行类似步骤6的操作,完成航迹坐标系认知。
步骤10:点击“运动参数认知”,进入实验子模块,界面显示姿态角、航迹角、气流角三个选项。(如图22)
步骤11:点击“姿态角”,其下方出现偏航角、俯仰角、滚转角,点击“偏航角”,虚拟场景中立体显示偏航角的定义,右侧给出偏航角的文字定义(如图22)。在无人机上按压鼠标右键,拉动鼠标旋转无人机,可以从任意视角观察理解偏航角定义。点击“还原”,回到初始界面。点击右上角“返回”图标,返回上级界面。
步骤12:执行类似步骤11的操作,完成“姿态角”中的俯仰角认知。
步骤13:执行类似步骤11的操作,完成“姿态角”中的滚转角认知。
图22 运动参数认知子模块
步骤14:执行类似步骤11的操作,完成“航迹角”中的航迹方位角认知。
步骤15:执行类似步骤11的操作,完成“航迹角”中的航迹倾斜角认知。
步骤16:执行类似步骤11的操作,完成“航迹角”中的航迹滚转角认知。
步骤17:执行类似步骤11的操作,完成“气流角”中的迎角认知。
步骤18:执行类似步骤11的操作,完成“气流角”中的侧滑角认知。
步骤19:点击“操纵面认知”,进入实验子模块,界面显示操纵面名称、操纵面功能、操纵面极性三个选项(如图23)。
步骤20:点击“操纵面名称”,在无人机模型相应位置上用10个数字标示出了各个操纵面的位置。以左副翼认知为例,鼠标移动到数字①位置时,操纵面以红框包围突出,点击鼠标左键,数字①上方显示操纵面名称“左副翼”。点击“还原”,回到初始界面。
图23 操纵面认知子模块
步骤21:执行类似步骤20的操作,完成左襟副翼认知。
步骤22:执行类似步骤20的操作,完成左襟翼认知。
步骤23:执行类似步骤20的操作,完成右襟翼认知。
步骤24:执行类似步骤20的操作,完成右襟副翼认知。
步骤25:执行类似步骤20的操作,完成右副翼认知。
步骤26:执行类似步骤20的操作,完成左外侧升降方向舵认知。
步骤27:执行类似步骤20的操作,完成左内侧升降方向舵认知。
步骤28:执行类似步骤20的操作,完成右外侧升降方向舵认知。
步骤29:执行类似步骤20的操作,完成右内侧升降方向舵认知。
步骤30:点击“操纵面功能”,在无人机模型相应位置上用10个数字标示出了各个操纵面的位置。以左副翼功能认知为例,鼠标移动到数字①位置时,操纵面以红框包围突出,点击鼠标左键,屏幕右下角显示“左副翼”操纵面功能(如图23)。点击“还原”,回到初始界面。
步骤31:执行类似步骤30的操作,完成左襟副翼功能认知。
步骤32:执行类似步骤30的操作,完成左襟翼功能认知。
步骤33:执行类似步骤30的操作,完成右襟翼功能认知。
步骤34:执行类似步骤30的操作,完成右襟副翼功能认知。
步骤35:执行类似步骤30的操作,完成右副翼功能认知。
步骤36:执行类似步骤30的操作,完成左外侧升降方向舵功能认知。
步骤37:执行类似步骤30的操作,完成左内侧升降方向舵功能认知。
步骤38:执行类似步骤30的操作,完成右外侧升降方向舵功能认知。
步骤39:执行类似步骤30的操作,完成右内侧升降方向舵功能认知。
步骤40:点击“操纵面极性”,屏幕右侧出现“正向”偏转、“负向”偏转、“同步正向”偏转、“同步负向”偏转、“差动正向”偏转、“差动负向”偏转六种偏转,分别描述了副翼、升降方向舵的偏转方式,依次产生滚转力矩、俯仰力矩、偏航力矩(如图24)。点击“正向”偏转,左副翼上偏,右副翼下偏,沿Ox轴负方向产生滚转力矩,无人机逆时针滚转一定角度,同时屏幕右下角文本框中文字显示产生的气动力矩、无人机运动情况。点击“还原”,回到初始界面。点击右上角“返回”图标,返回上级界面。
图24 操纵面极性认知子模块
步骤41:执行类似步骤40的操作,完成“负向”偏转极性认知。
步骤42:执行类似步骤40的操作,完成“同步正向”偏转极性认知。
步骤43:执行类似步骤40的操作,完成“同步负向”偏转极性认知。
步骤44:执行类似步骤40的操作,完成“差动正向”偏转极性认知。
步骤45:执行类似步骤40的操作,完成“差动负向”偏转极性认知。
六种偏转方式对应的舵面运动、产生的气动力矩、无人机运动情况,具体如表1所示。
②无人机全自主飞行控制实验
步骤46:点击实验系统主界面的“全自主飞行控制”,进入实验模块,屏幕左侧为航迹显示界面、平显组合仪、角度显示界面、发动机转速表,无人机处于待起飞状态(发动机已开车)(如图25)。地面场景、空中场景、起飞音效分别模拟真实机场环境、飞行场景、发动机声音。点击“结束模拟”,返回实验系统主界面,点击“结束仿真”,结束当前虚拟仿真任务。点击右上角“帮助”图标,显示鼠标在实验中的基本操作。点击右上角“全屏”图标,全屏显示实验界面。
图25 全自主飞行控制模块界面
步骤47:按下“正常起飞”按钮,无人机依次开始滑行、离地爬升、收起落架、继续爬升、巡航平飞。实时还原无人机从自主起飞到巡航平飞的运动过程,屏幕左侧仪表实时显示起飞过程中的航迹、姿态指示、关键角度、发动机转速等变化信息。在无人机上按压鼠标右键,拉动鼠标旋转无人机,可以从任意视角观察无人机起飞过程。无人机飞行至任务区域后,屏幕上方弹出俯仰角控制、侧向角控制、高度保持控制、侧向偏离控制四个典型控制阶段供选择。
步骤48:点击“俯仰角控制”,进入实验子模块,首先弹出俯仰角控制的控制任务、典型运用(如图26),掌握俯仰角控制的实战意义和作战用途。点击“开始实验”,屏幕右侧弹出状态给定、参数变化、舵面偏转三个叠层的下拉式界面(如图27)。
图26 俯仰角控制的作战用途界面
步骤49:点击“状态给定”层,界面上方位置给出的俯仰控制律为,通过拉动滑动条,给定初始俯仰角扰动为5°,仿真时间为10s,比例增益kθ为1,速率增益kq为0.5,选定干扰类型为垂直风干扰,点击“保存”,将选定的参数值保存在实验结果文件中(图28)。点击“开始仿真”,开始按照设定的参数值进行仿真。点击“参数变化”层,实时显示俯仰角θ、迎角α、俯仰角速率q的变化历程,点击“保存”,保存角度仿真结果(图29)。点击“舵面偏转”层,实时显示左右副翼、左右升降方向舵的偏转过程,点击“保存结果”,保存舵面偏转结果。屏幕中间实时显示无人机在虚拟飞行场景中的运动变化情况。分别改变比例增益kθ、速率增益kq,观察不同参数给定下的角度、舵面变化情况,分析参数变化对俯仰控制性能的影响规律。
点击“结束仿真”,结束俯仰角控制虚拟仿真任务,返回全自主飞行控制模块界面;点击“结束模拟”,返回实验系统主界面。
步骤50:执行类似步骤48和步骤49的操作,完成侧向角控制实验。
步骤51:执行类似步骤48和步骤49的操作,完成高度保持控制实验。
步骤52:执行类似步骤48和步骤49的操作,完成侧向偏离控制实验。
图27 叠层的下拉式界面 图28 “状态给定”界面
图29 “参数变化”界面
③无人机全自主飞行控制实验
步骤53:点击实验系统主界面的“半自主飞行控制”,进入实验模块,屏幕左侧为航迹显示界面、平显组合仪、角度显示界面、发动机转速表,无人机处于待起飞状态(发动机已开车)。地面场景、空中场景、起飞音效分别模拟真实机场环境、飞行场景、发动机声音。点击“结束模拟”,返回实验系统主界面,点击“结束仿真”,结束当前虚拟仿真任务。点击右上角“帮助”图标,显示鼠标在实验中的基本操作。点击右上角“全屏”图标,全屏显示实验界面。
步骤54:按下“正常起飞”按钮,无人机依次开始滑行、离地爬升、收起落架、继续爬升、巡航平飞。实时还原无人机从自主起飞到巡航平飞的运动过程,屏幕左侧仪表实时显示起飞过程中的航迹、姿态指示、关键角度、发动机转速等变化信息。在无人机上按压鼠标右键,拉动鼠标旋转无人机,可以从任意视角观察无人机起飞过程。无人机飞行至任务区域后,屏幕上方弹出航向控制、高度控制两个典型控制阶段供选择,屏幕下方弹出遥调使能、向左、直飞、向右、爬升、平飞、下滑指令按钮。
步骤55:点击“航向控制”,首先弹出半自主航向控制的控制任务、典型运用,掌握半自主航向控制的实战意义和作战用途。点击“开始实验”,屏幕右侧弹出参数变化、舵面偏转两个叠层的下拉式界面。
步骤56:接通“遥调使能”开关,发送“向左”遥控指令,无人机将以20º的坡度向左倾斜转弯,观察平显组合仪界面正上方显示的航向信息,当机头快对准目标航向时,提前5º发“直飞”指令,无人机将保持接收到“直飞”指令时刻的航向飞行。点击“参数变化”层,显示滚转角φ、偏航角ψ、侧滑角β的变化历程,击“保存”,保存角度仿真结果。点击“舵面偏转”层,显示左、右副翼,左、右升降方向舵的偏转过程,点击“保存结果”,保存舵面偏转结果。屏幕中间实时显示无人机在虚拟飞行场景中的运动变化情况。
步骤57:接通“遥调使能”开关,发送“向右”遥控指令,无人机将以20º的坡度向右倾斜转弯,观察平显组合仪界面正上方显示的航向信息,当机头快对准目标航向时,提前5º发“直飞”指令,无人机将保持接收到“直飞”指令时刻的航向飞行。点击“参数变化”层,显示滚转角φ、偏航角ψ、侧滑角β的变化历程,击“保存”,保存角度仿真结果。点击“舵面偏转”层,显示左、右副翼,左、右升降方向舵的偏转过程,点击“保存结果”,保存舵面偏转结果。屏幕中间实时显示无人机在虚拟飞行场景中的运动变化情况。
步骤58:点击“高度控制”,首先弹出半自主高度控制的控制任务、典型运用,掌握半自主高度控制的实战意义和作战用途。点击“开始实验”,屏幕右侧弹出参数变化、舵面偏转两个叠层的下拉式界面。
步骤59:接通“遥调使能”开关,发送“爬升”遥控指令,无人机将以10º的俯仰角向上爬升,观察平显组合仪界面中间右侧显示的高度信息,当高度快达到目标高度时,提前4m发“平飞”指令,无人机将保持接收到“平飞”指令时刻的高度飞行。点击“参数变化”层,显示高度H、俯仰角θ、迎角α、爬升角γ的变化历程,击“保存”,保存角度仿真结果。点击“舵面偏转”层,显示左、右副翼,左、右升降方向舵的偏转过程,点击“保存结果”,保存舵面偏转结果。屏幕中间实时显示无人机在虚拟飞行场景中的运动变化情况。
步骤60:接通“遥调使能”开关,发送“下滑”遥控指令,无人机将以-10º的俯仰角向下下滑,观察平显组合仪界面中间右侧显示的高度信息,当高度快达到目标高度时,提前4m发“平飞”指令,无人机将保持接收到“平飞”指令时刻的高度飞行。点击“参数变化”层,显示高度H、俯仰角θ、迎角α、爬升角γ的变化历程,击“保存”,保存角度仿真结果。点击“舵面偏转”层,显示左、右副翼,左、右升降方向舵的偏转过程,点击“保存结果”,保存舵面偏转结果。屏幕中间实时显示无人机在虚拟飞行场景中的运动变化情况。
点击“结束仿真”,结束俯仰角控制虚拟仿真任务,返回全自主飞行控制模块界面;点击“结束模拟”,返回实验系统主界面。
④在线测试
步骤61:返回实验系统主界面,点击“在线测试”,完成三个实验模块的自主测试,检验实验效果。
⑤交流讨论
步骤62:返回实验系统主界面,点击“交流讨论”,完成师生、生生互动交流、在线讨论、成果共享。
⑥实验结论
步骤63:查看系统自动生成的可追溯的实验过程记录,学生下载、填写并上传实验报告,教师线上批阅实验报告,在线指导学生。
⑦实验结束,退出系统。
⑧教师生成成绩反馈表。
本着“学生中心、问题导向、技战融合”的实验教学理念,借助信息化手段,将传统实验教学向课前延伸、向课后拓展,开展任务牵引的“三阶段”混合式实验教学(如图14),创新实践了任务化、问题化、形象化、立体化、交互化、自主化的“六化”建构式实验教学方法,有效激发了学生求知欲,提升了学生认知水平,提高了创新实践能力。
如图14,任务牵引的“三阶段”混合式实验教学模式,通过作战任务牵引实验内容,基于雨课堂、虚拟仿真实验系统、imooc网络教学系统等信息化平台,将传统实验教学延展为课前自学、课上导学和课后拓展三个阶段。转换师生角色,实验前学生自主学习,教师是设计者;实验中学生自主探究,教师是引导者;实验后学生巩固拓展,教师是协助者。
图14 “三阶段”混合式实验教学模式
(1)使用目的
一是作战任务牵引实验内容,将抽象的自主控制问题置于生动的任务情境中,激发学生求知欲;二是拓展学习时空,将有限的实验资源发挥出最大效益,提升实验教学效果;三是强化战技融合素养,提升岗位任职能力。
(2)实施过程
基于任务牵引的“三阶段”混合式实验教学模式,在实验教学实施过程中创新实践了“六化”建构式实验教学方法,如图15所示。
图15 实验教学方法实施过程
①实验项目任务化
从作战任务角度出发,将每个自主控制实验项目置于具体的作战任务中,掌握自主控制的控制任务、典型运用,实现任务牵引实验,内容回归运用。
②实验内容问题化
从问题解决角度出发,将每个自主控制实验内容转换为层层递进、环环相扣的问题链,问题递进解决,实验驱动开展。
③抽象概念形象化
通过三维建模、虚拟仿真,将无人机抽象的空间运动过程三维化展示,生动化再现,实现了抽象概念形象化。
④实验过程立体化
基于信息化教学管理共享平台,突破传统飞行控制实验的时空限制,延长了学习时间,拓宽了学习途径,实现学生随时随地开展实验。
⑤实验操作交互化
将自主控制核心算法嵌入至虚拟实验中,通过人机交互,确保实验结果的真实性和实验操作的交互性。
⑥实验探究自主化
“课前自学、课上导学、课后拓展”的“三阶段”混合式教学,实现学生飞行控制实验开展的自主学习、自主探究和自主拓展。
(3)实施效果
①提升学生认知水平
实验开展突破了时间和空间限制,学生可以随时随地进行实验,针对重难点问题反复进行练习。自主飞行控制虚拟仿真实验的开展,培养了学生的空间运动认知能力,深化了学生对作战任务牵引下典型自主控制过程的理解,大幅提高了学生认知水平。
②提高创新实践能力
实验教学过程的混合和课后的拓展延伸,加深了学生对“自主飞行控制”的工程理解。项目已应用于无人装备工程、武器系统与工程专业约300余人次本科生的实验教学中,为学生提供了开展飞行器控制类课程实验的虚拟平台。还广泛应用于我校国际未来飞行器设计大赛、“智胜空天”无人机挑战赛等赛前辅导,受训学生荣获国际冠军1项、大赛亚军2项(图16),显著提高了学生的创新实践能力。
(a)国际未来飞行设计大赛冠军 (b)“无人争锋”挑战赛亚军
(c)“智胜空天”挑战赛二等奖
图16 学生参加大赛获奖证书
③提高实验教学效率
项目构建了“机-站-链”一体化自主控制虚拟仿真实验环境,再现了无人机任务飞行的真实场景,还原了自主控制中姿态变化、飞行轨迹、运动参数、舵面偏转的动态过程,实现抽象概念形象化、动态过程立体化、变化规律明晰化,有效解决了自主飞行控制实装实验难以开展、成本高昂的局限性,大大提高了实验教学效率。
①实验结果要求
项目再现了察打一体型无人机侦察、打击任务飞行的真实场景,还原了无人机自主飞行中姿态变化、飞行轨迹、运动参数、舵面偏转的动态过程,使学生理解无人机的空间运动表示方法,掌握无人机自主姿态、自主轨迹、半自主航向、半自主高度控制的基本原理、控制过程以及参数变化影响。三个实验模块输出的实验结果参数如表2所示。
三个实验模块输出的实验结果参数接近或达到如下要求(仅列出典型状态给定情况下的部分结果参数)。
(a)坐标系认知
理解地面坐标系、机体坐标系、速度坐标系、航迹坐标系的定义、功能,空间运动认知模块的在线测试成绩达到优秀。
(b)运动参数认知
理解姿态角(偏航角、俯仰角、滚转角)、航迹角(航迹方位角、航迹倾斜角、航迹滚转角)、气流角(迎角、侧滑角)三类8个角度的空间定义、符号描述,空间运动认知模块的在线测试成绩达到优秀。
(c)操纵面认知
理解副翼、襟副翼、襟翼、升降方向舵四类10个操纵面的名称、功能及偏转极性,空间运动认知模块的在线测试成绩达到优秀。
(d)自主俯仰角控制
条件:初始俯仰角扰动
,仿真时间t=30s,比例增益
、速率增益
,干扰类型:垂直风干扰。实验结果曲线要求如图30所示。
图30 自主俯仰角控制实验曲线要求
(e)自主侧向角控制
条件:偏航角扰动
,仿真时间t=30s,比例增益
、速率增益
、比例增益
、速率增益
、偏航增益
,干扰类型:侧风干扰。实验结果曲线要求如图31所示。
图31 自主侧向角控制实验曲线要求
(f)自主高度保持控制
条件:给定高度差
,仿真时间t=30s,比例增益
、速率增益
、比例增益
、积分增益
,干扰类型:垂直风干扰。实验结果曲线要求如图32所示。
图32 自主高度保持控制实验曲线要求
(g)自主侧向偏离控制
条件:侧偏距
,仿真时间t=30s,比例增益
、速率增益
、比例增益
、速率增益
、偏航增益
,侧偏增益
,干扰类型:有侧风干扰。实验结果曲线要求如图33所示。
图33 自主侧向偏离控制实验曲线要求
(h)半自主航向控制
条件:接通“遥调使能”开关,发送“向左”遥控指令,无人机将以20º的坡度向左倾斜转弯。实验结果曲线要求如图34所示。
图34 半自主航向控制实验曲线要求
(i)半自主高度控制
条件:接通“遥调使能”开关,发送“爬升”遥控指令,无人机将以10º的俯仰角向上爬升。实验结果曲线要求如图35所示。
图35 半自主高度控制实验曲线要求
②实验结论要求
(a)详述地面、机体、速度、航迹四个坐标系的定义、功能;
(b)详述姿态角、航迹角、气流角三类8个角度的空间定义、符号描述;
(c)详述副翼、襟副翼、襟翼、升降方向舵四类10个操纵面的名称、功能及偏转极性;
(d)详述作战任务牵引下的典型自主控制过程、控制功能;
(e)详述无人机自主姿态、自主轨迹、半自主航向、半自主高度控制的基本原理、状态给定、控制过程和参数变化影响规律;
(f)详述实验目的、实验准备、实验过程与步骤;
(g)叙述实验过程中遇到的问题,以及相应解决问题的方法;
(h)撰写实验报告、反思与心得体会,上传实验报告。(如图36)
图36 实验报告截图