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摘要：无人机技术作为一项新兴技术，已在诸多领域得到了广泛应用，但相关专业人员培训工作却存在滞后情况。无人机培训受设备、天气等因素影响，存在着不确定性。而三维仿真技术作为一项成熟技术，对于无人机培训有着十分重要的意义。本文通过分析无人机技能培训与三维仿真技术，提出了相关培训工作解决方案，供專业人士参考。
关键词：无人机;三维仿真;技能培训;AOPA;软件开发
作为一项新兴技术，无人机技术已经在电力、交通、消防、农业等领域中得到了普及，用于从事一些高强度、高风险工作。不但保障了人员安全、降低了成本，也提升工作效率。因此无人机相关专业人员需求量激增，包括无人机飞手、维护人员等。但是无人机专业飞手培训工作受制于时间、场地等因素，存在着不确定性。而三维仿真技术作为一项成熟技术，其已应用在医疗、驾驶等领域的培训工作中。因此将三维仿真技术与无人机操作培训进行结合，将对无人机培训工作发展有着积极意义。
1.目前无人机培训缺陷
无人机在我国已经过数年发展，已经具备一套较为完整的培训、考核、认证体系。包括大疆等商业或非商业机构也拥有相关培训课程，内容包括AOPA培训考核等。通过这些培训机构和培训课程，我国已有较为可观的无人机专业人才梯队，服务于不同行业。但是随着发展，现有培训体系仍然存在着一些问题，并对培训成果产生了负面影响。
1.1场地条件制约
对于无人机操作技能培训，其课程体系需要针对不同水平受训人员。对于零基础人员，需要培训起飞降落、多高度悬停等基础课程。而更高水平课程则包含机头向外圆周飞行、机头定向圆周飞行等进阶技巧训练。对于AOPA认证考试，其还包8字飞行等考核科目。这些训练与考核科目都需要一定面积场地来进行训练，此外还要按照考核要求布置障碍物，例如横杆、圆环等。因此这就对相关训练工作提出了一定场地和设备要求。对于大城市而言，其场地较为紧张，同时还有设置禁飞区，因此阻碍了训练工作开展。
1.2天气条件制约
对于飞行器，无论是有人驾驶固定翼飞机、直升机、热气球还是无人机，其在进行飞行工作时，都需要考虑天气因素影响。虽然在操作培训课程中包括了特殊天气处理流程，但是在实机训练过程中，除了雨雪天气之外，当环境风强度达到一定级别时，就会暂停户外真机训练和使用。这无疑增加了平均训练周期，增加了训练课程安排不确定性，导致了训练成本提高，影响了训练效果。
2.三维仿真无人机技能训练系统架构
三维仿真无人机操作训练系统架构主要分为三层：物理硬件层、图形引擎层、系统内容层。三层相互作用，完成最终训练目标。物理硬件层是整个系统基础，飞手所有操作通过硬件设备进行接收和记录，然后通过硬件层进行转换和传输。图形引擎层是系统图像表现基础，为软件内容提供支撑。系统内容层是最终展现给用户的窗口，其中包含多种训练内容，供受训飞手体验与训练。
2.1 物理硬件层
物理硬件层是系统基础。体现在硬件上，主要分为三个主要部分：电脑主机、无人机遥控器、遥控器接收机。飞手在无人机遥控器上进行操作，遥控器将操作信号发送至接收模块。目前主流无人机及航模控制系统都是集中在独立模块中。如睿思凯（FrSky）RX8R模块等。通过在接收器芯片中烧入遥控程序，调整手柄参数，就可以将操作信号直接发送至接收模块，接收模块再对操作信息进行解码和处理，上传至软件内容层，系统中的虚拟无人机就会做出相应动作，来完成训练任务。
目前，遥控器操作信息主要通过数据线或无线电方式进行发送。而接收模块则通过USB连线、蓝牙、红外线等形式将数据传递给电脑主机。
2.2图像引擎层
图像引擎作为软件内容的支撑，同样起着至关重要作用。目前三维仿真系统主要通过UE4、Unity等专业三维引擎开发。在运行时，其底层主要为Direct3D、OpenGL等图像引擎。图像引擎除了需要模拟出逼真、完整的业务场景、各种生产设备之外，还需要仿真出实际作业和自然环境，比如自然风、光照、天气等。通过图像引擎的模拟，可以使受训飞手在高度仿真环境中完成训练，弥合训练与实际间沟壑。
2.3系统内容层
系统内容层是用户需求和设计目标的体现。系统内容层中包括了基本软件功能和各项训练内容。系统内容根据实际用户需求来进行设计，主要包括基础操作、进阶操作、业务操作等。通过前期调研和综合设计，目标用户和客户向软件开发人员提出具体需求，开发人员进行规划和设计，提出软件需求说明书。技术人员通过需求完成软件开发和部署。与常用软件系统不同，无人机训练系统是针对特定用户开发，专业化程度较高。
3.系统内容设计
由于受训飞手技术水平不同，培训目标不同，所以内容安排上需要体现出一定区分度。根据长期调研反馈，无人机训练系统内容主要集中于两个方向：基础操作、进阶操作。
3.1基础操作
基础操作主要是针对零基础新人来进行设计，其主要内容为无人机基本操作教程，包括起飞降落、多高度悬停、对角悬停等。通过基础操作课程训练，可以使零基础人员掌握无人机基本操作。飞手可以在GPS引导下完成无人机基本操作，使其可以在日常业务流程中担任辅助工作，完成简易工作任务。如果飞手需要进一步掌握较为复杂的无人机操作，完成更为多样任务，则还需要进一步进行进阶训练。
3.2进阶操作
进阶操作是无人机训练体系中重要组成部分。其主要针对两类人群，一类是完成基础训练，需要进行进一步提升的飞手;另一类则是需要参加AOPA等相关认证考试的飞手。与基础操作相比，进阶操作内容对于飞手操作要求更高，飞行动作类型、目标环境也更为复杂。其中包括姿态增稳飞行、机头向心飞行、机头定向飞行等多种飞行技巧的学习与训练。这些训练可以提升飞手对于基础操作的组合应用。例如机头定向飞行，需要飞手可以熟练将平移与前进进行结合应用，保证飞机在绕圈飞行过程中，机头始终保持一个方向。
结论：
目前，已有一些三维仿真无人机技能培训软件系统在实际工作中开始得到逐步推广，包括电力巡检、公安巡逻等。通过应用，有效提升了无人机技能训练训练效果，缩短训练周期、降低训练成本。因此在未来，三维仿真技术将会在无人机领域中得到更为深层的应用。
参考文献
[1]董超. 航拍无人机虚拟仿真实验的开发与实践[D].扬州大学，2019.
[2]张谋权. 基于Unity3D的综合航电模拟训练软件设计与实现[D].南昌航空大学，2017.
[3]宋凯. 基于Unity3D的四旋翼无人机模拟训练系统设计与实现[D].北京理工大学，2016.
南京纬立绚信息科技有限公司 江苏省 南京市 210000
关键词：无人机;三维仿真;技能培训;AOPA;软件开发
作为一项新兴技术，无人机技术已经在电力、交通、消防、农业等领域中得到了普及，用于从事一些高强度、高风险工作。不但保障了人员安全、降低了成本，也提升工作效率。因此无人机相关专业人员需求量激增，包括无人机飞手、维护人员等。但是无人机专业飞手培训工作受制于时间、场地等因素，存在着不确定性。而三维仿真技术作为一项成熟技术，其已应用在医疗、驾驶等领域的培训工作中。因此将三维仿真技术与无人机操作培训进行结合，将对无人机培训工作发展有着积极意义。
1.目前无人机培训缺陷
无人机在我国已经过数年发展，已经具备一套较为完整的培训、考核、认证体系。包括大疆等商业或非商业机构也拥有相关培训课程，内容包括AOPA培训考核等。通过这些培训机构和培训课程，我国已有较为可观的无人机专业人才梯队，服务于不同行业。但是随着发展，现有培训体系仍然存在着一些问题，并对培训成果产生了负面影响。
1.1场地条件制约
对于无人机操作技能培训，其课程体系需要针对不同水平受训人员。对于零基础人员，需要培训起飞降落、多高度悬停等基础课程。而更高水平课程则包含机头向外圆周飞行、机头定向圆周飞行等进阶技巧训练。对于AOPA认证考试，其还包8字飞行等考核科目。这些训练与考核科目都需要一定面积场地来进行训练，此外还要按照考核要求布置障碍物，例如横杆、圆环等。因此这就对相关训练工作提出了一定场地和设备要求。对于大城市而言，其场地较为紧张，同时还有设置禁飞区，因此阻碍了训练工作开展。
1.2天气条件制约
对于飞行器，无论是有人驾驶固定翼飞机、直升机、热气球还是无人机，其在进行飞行工作时，都需要考虑天气因素影响。虽然在操作培训课程中包括了特殊天气处理流程，但是在实机训练过程中，除了雨雪天气之外，当环境风强度达到一定级别时，就会暂停户外真机训练和使用。这无疑增加了平均训练周期，增加了训练课程安排不确定性，导致了训练成本提高，影响了训练效果。
2.三维仿真无人机技能训练系统架构
三维仿真无人机操作训练系统架构主要分为三层：物理硬件层、图形引擎层、系统内容层。三层相互作用，完成最终训练目标。物理硬件层是整个系统基础，飞手所有操作通过硬件设备进行接收和记录，然后通过硬件层进行转换和传输。图形引擎层是系统图像表现基础，为软件内容提供支撑。系统内容层是最终展现给用户的窗口，其中包含多种训练内容，供受训飞手体验与训练。
2.1 物理硬件层
物理硬件层是系统基础。体现在硬件上，主要分为三个主要部分：电脑主机、无人机遥控器、遥控器接收机。飞手在无人机遥控器上进行操作，遥控器将操作信号发送至接收模块。目前主流无人机及航模控制系统都是集中在独立模块中。如睿思凯（FrSky）RX8R模块等。通过在接收器芯片中烧入遥控程序，调整手柄参数，就可以将操作信号直接发送至接收模块，接收模块再对操作信息进行解码和处理，上传至软件内容层，系统中的虚拟无人机就会做出相应动作，来完成训练任务。
目前，遥控器操作信息主要通过数据线或无线电方式进行发送。而接收模块则通过USB连线、蓝牙、红外线等形式将数据传递给电脑主机。
2.2图像引擎层
图像引擎作为软件内容的支撑，同样起着至关重要作用。目前三维仿真系统主要通过UE4、Unity等专业三维引擎开发。在运行时，其底层主要为Direct3D、OpenGL等图像引擎。图像引擎除了需要模拟出逼真、完整的业务场景、各种生产设备之外，还需要仿真出实际作业和自然环境，比如自然风、光照、天气等。通过图像引擎的模拟，可以使受训飞手在高度仿真环境中完成训练，弥合训练与实际间沟壑。
2.3系统内容层
系统内容层是用户需求和设计目标的体现。系统内容层中包括了基本软件功能和各项训练内容。系统内容根据实际用户需求来进行设计，主要包括基础操作、进阶操作、业务操作等。通过前期调研和综合设计，目标用户和客户向软件开发人员提出具体需求，开发人员进行规划和设计，提出软件需求说明书。技术人员通过需求完成软件开发和部署。与常用软件系统不同，无人机训练系统是针对特定用户开发，专业化程度较高。
3.系统内容设计
由于受训飞手技术水平不同，培训目标不同，所以内容安排上需要体现出一定区分度。根据长期调研反馈，无人机训练系统内容主要集中于两个方向：基础操作、进阶操作。
3.1基础操作
基础操作主要是针对零基础新人来进行设计，其主要内容为无人机基本操作教程，包括起飞降落、多高度悬停、对角悬停等。通过基础操作课程训练，可以使零基础人员掌握无人机基本操作。飞手可以在GPS引导下完成无人机基本操作，使其可以在日常业务流程中担任辅助工作，完成简易工作任务。如果飞手需要进一步掌握较为复杂的无人机操作，完成更为多样任务，则还需要进一步进行进阶训练。
3.2进阶操作
进阶操作是无人机训练体系中重要组成部分。其主要针对两类人群，一类是完成基础训练，需要进行进一步提升的飞手;另一类则是需要参加AOPA等相关认证考试的飞手。与基础操作相比，进阶操作内容对于飞手操作要求更高，飞行动作类型、目标环境也更为复杂。其中包括姿态增稳飞行、机头向心飞行、机头定向飞行等多种飞行技巧的学习与训练。这些训练可以提升飞手对于基础操作的组合应用。例如机头定向飞行，需要飞手可以熟练将平移与前进进行结合应用，保证飞机在绕圈飞行过程中，机头始终保持一个方向。
结论：
目前，已有一些三维仿真无人机技能培训软件系统在实际工作中开始得到逐步推广，包括电力巡检、公安巡逻等。通过应用，有效提升了无人机技能训练训练效果，缩短训练周期、降低训练成本。因此在未来，三维仿真技术将会在无人机领域中得到更为深层的应用。
参考文献
[1]董超. 航拍无人机虚拟仿真实验的开发与实践[D].扬州大学，2019.
[2]张谋权. 基于Unity3D的综合航电模拟训练软件设计与实现[D].南昌航空大学，2017.
[3]宋凯. 基于Unity3D的四旋翼无人机模拟训练系统设计与实现[D].北京理工大学，2016.
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