二-1无人机飞行操纵培训ppt课件

1、无人机操作界面,定义,无人机的操纵是指无人机操作人员在地面通过无线电链路监督、控制无人机飞行的整个过程，包括起降操纵、飞行控制、任务设备（载荷）控制和数据链管理等。通常这个过程在地面控制站内完成，地面控制站内的飞行控制席位、任务设备控制席位、数据链管理席位都设有相应分系统的操作装置。 无人机的飞行操纵特指对于无人机飞行的控制操作，其内容包括航线的预设装订、修改、变更，飞行状态监控、指令引导控制、遥控飞行、辅助起降等,无人机飞行操纵,一、无人机操纵和飞行操纵的定义以及与有人机的不同之处,有人机与无人机飞行操纵主要区别表,典型区别,最大的不同之处是操作员所在的位置，有人机的操作员飞行员在飞机上，而

2、无人机的操作员在地面站中。飞行员可以在第一时间内感知飞机的飞行状态并作出反应，而无人机操作员无论是在感知上和操作上都要相对滞后。 心理状态问题。有人机的飞行员驾驶战机直接进入战场参与作战，以第一视角体验战争，能及时调整去适应战时状态；相反，很多无人机的操作员却是在千里之外操纵无人机进入战场，参与感不强，心理反差巨大，时间一长会给无人机的操作员们带来一种不真实、虚幻的感觉,大脑觉醒水平等级划分表,5,日本学者：桥本邦卫,6,飞行员的大脑觉醒水平大多停留在2、3状态，其人因可靠性也处于一个比较高的水平。 而无人机飞行时，由于其特殊性，其操作员的状态大多停留在2状态（由于飞行时间长和参与感低很难保持

3、在3状态），如果是长时间执行任务出现1状态甚至是0状态的概率也是存在的。 相比于飞行员，无人机操作员的专业训练程度要低的多，因此在出现紧急情况时，4状态出现概率也大大高于飞行员,飞行员与无人机操作员对比,无人机飞行操纵,二、无人机飞行操纵类型,一般来说，无人机的飞行操纵主要由三种方式： 1遥控方式（PIC） 遥控方式是通过数据链路对无人机实施的飞行控制操纵。一般包括舵面遥控、姿态遥控和指令控制三种方式。 （1）舵面遥控 （2）姿态遥控 （3）指令控制,无人机飞行操纵,二、无人机飞行操纵类型,一般来说，无人机的飞行操纵主要由三种方式： 1遥控方式（PIC） 遥控方式是通过数据链路对无人机实施的飞

4、行控制操纵。一般包括舵面遥控、姿态遥控和指令控制三种方式,1）舵面遥控,这种控制方式是由控制器的操纵杆直接控制无人机的舵机，遥控无人机飞行。这是无人机最简单和最原始的控制方式，多应用于微型战术无人机的操纵上。这种控制方式一般是通过目视对无人机进行操纵,无人机飞行操纵,二、无人机飞行操纵类型,一般来说，无人机的飞行操纵主要由三种方式： 1遥控方式（PIC） 遥控方式是通过数据链路对无人机实施的飞行控制操纵。一般包括舵面遥控、姿态遥控和指令控制三种方式,2）姿态遥控,姿态遥控是在无人机具有姿态稳定控制机构的基础上，通过操纵杆控制无人机的俯仰和滚转，从而连续的控制无人机的运动。要求设计的操纵杆适应飞

5、行员的操纵感觉，并且具有边界限制。一般是目视操作无人机或通过仪表远程操纵无人机的机动飞行,无人机飞行操纵,二、无人机飞行操纵类型,一般来说，无人机的飞行操纵主要由三种方式： 1遥控方式（PIC） 遥控方式是通过数据链路对无人机实施的飞行控制操纵。一般包括舵面遥控、姿态遥控和指令控制三种方式,3）指令控制,指令控制是通过上行链路发送控制指令，机载计算机接收到指令后按预定的控制模式执行。这种方式必须在机载自动驾驶仪或机载飞行管理与控制系统自动控制的基础上实施,指令方式一般包括,俯仰角选择与控制,高度保持与控制,飞行速度控制,滚转选择与控制,航向选择与控制,航迹控制,无人机飞行操纵,二、无人机飞行操

6、纵类型,2自主控制（UAV） 自主控制飞行是指不需要人工参与的飞行控制。 这种方式时通过全权限的机载飞行管理与控制系统完成从起飞、控制飞行、执行任务到返航着陆全过程的自动控制,无人机飞行操纵,二、无人机飞行操纵类型,3组合控制（RPV） 在自主飞行的基础上，通过操纵杆在无人机的控制外回路施加一定的偏移量，尤其是在自动起飞着陆过程中，对导航偏差和外界干扰进行人工干预的一种控制模式,14,三、无人机飞行操纵的意义 1986-1997年期间的美国海军203架RQ-2“先锋”事故的分析发现，103起(51)事故有人的因素，其中88起(43)与监督管理和机组人员的因素有明确关系；在这88起事故中，64涉

7、及管理不善（如培训、政策和领导）和知错不改；46涉及操作员的不安全条件。 1993年1月-2003年6月美国陆军和空军48例(陆军26，空军22)无人机事故分析表明，33起（69%）与人的因素有关，这其中培训问题占27、班组效能占25、情景意识18、界面设计占16、认知和决策占14。 1995-2003年美国陆军无人机发生的56起事故，有18起(32)与人的因素有关,无人机飞行操纵,15,三、无人机飞行操纵的意义 大型无人机事故中人的因素更为常见，例如，RQ-1“捕食者”事故中人因占比达到了67，而对于中型无人机而言， 28的RQ-2“先锋”事故和45的RQ-5“猎人”事故是由于人为因所致，明

8、显低于大型无人机。小型无人机RQ-7“影子”，人的因素只占21。 2004年到2006年，共有15架“捕食者”无人机坠毁，其中12架无人机事故是由于人为过失造成的，暴露了操作员技能以及机组人员内部分工等问题。以此为依据，美国空军研究报告指出，“捕食者”无人机的坠毁事故主要原因已从原先的硬件失效方面转移到人员操作失误方面,无人机飞行操纵,16,17,三、无人机飞行操纵的意义 随着装备数量的增加，使用时间的增长，人的因素将会越来越突出，大量缺乏训练的新手进入到无人机操纵岗位将会为无人机安全飞行带来新的风险。 笔者某无人机飞行中的故障数据进行统计发现，在开始研制阶段机的因素为主要故障源，人、机、环境

9、三者的比例为：6.7%：73.3%：20%，到了定型阶段其故障原因人、机、环境三者比例变为了：23.1%：44.6%：32.3%，人的比例显著上升。 按照浴盆曲线理论，当系统趋于成熟稳定，进入“盆底”，此时人的因素就凸显出来，并渐渐的成为制约武器装备发挥出应有效能的短板,无人机飞行操纵,无人机飞行操纵,三、无人机飞行操纵的意义,对于有人机来说，飞机的性能和飞行员的技术水平是飞机能否发挥出其效能最重要的两条因素。对于无人机也是如此，飞行中的无人机其控制权在飞行操作员手中，此时操作员的技术水平和其所作的飞行操纵准确与否对于无人能否发挥出其应有的作战效能起着至关重要的作用。 随着我国无人机路线图的制

10、定，越来越多的无人机装备部队，飞行操纵必将会越来越受到重视，而无人机的飞行操作人员也将成为整支无人机作战部队的核心技术人员,19,浴盆曲线,无人机飞行操纵,四、无人机飞行操纵现状和未来发展方向,1.美军无人机飞行操纵发展现状 “捕食者”系列无人机从1995年到2007年飞行时间为25万小时左右，从2007年到2009年飞行时间就已经达到50万小时。阿富汗和伊拉克战争期间，美国空军在战场上保持了29架“捕食者”和“死神”无人机24小时执勤就达到2万小时左右。 432联队的所有人员必须全天24小时运转，到2011年，该联队已装备160架“捕食者”和60架“死神”，需要600个无人机班组来保证无人机

11、的正常使用。目前美空军每天必须保证有三架“捕食者”无人机在24小时全天候执勤,无人机飞行操纵,四、无人机飞行操纵现状和未来发展方向,1）人才培训 2008年9月：美国空军参谋长下达命令要求录用新飞行员操控无人机系统，发展了新的职业领域； 2008年11月：完成专业飞行学员训练的新飞行员开始接受无人机系统操控学员训练； 2009年1月：直接面向无人机系统操控员职业的专业训练体制开始直接招收新学员(而不是新飞行员转行)； 2009年8月：美国德克萨斯州伦道夫空军基地开设传感器操作员专业； 2009年11月：首批直接招收的无人机系统操控员毕业，进入无人机系统作战中队开始战备训练,无人机飞行操纵,四、

12、无人机飞行操纵现状和未来发展方向,2）装备发展,捕食者”无人机操作员工作站,无人机飞行操纵,四、无人机飞行操纵现状和未来发展方向,3）人机系统 主要研究工作包括三大方面内容： 1） 远程操作飞行器自适应跟踪训练系统目的在于提供经济可承受的、可重构的，基于计算机的仿真能力，开发空、地、海基无人机系统模拟训练手段 。 2）方舱工作站设计研究通过实际统计分析，为男、女性各自建立了14组模型点。 3）无人机系统操作官选择能力提高研究目前已经开展了选择和训练效能研究,无人机飞行操纵,四、无人机飞行操纵现状和未来发展方向,2.对未来发展的规划,无人机飞行操纵,四、无人机飞行操纵现状和未来发展方向,3.对我

13、们的启迪,我军新型地面控制站,无人机飞行操纵,四、无人机飞行操纵现状和未来发展方向,3.对我们的启迪,硬件建设的落后源于我们的基础工业水平和科研实力，随着我国经济的腾飞综合国力的增强，我们正在奋起直追；但另一个方面“软实力”的建设，这方面的差距却并不容易明确衡量。体质建设、人才培训、模式养成等等这些看得到、摸不着的东西，我们究竟怎样？如果仅仅从表面上看，我们是存在差距的，但到底差多少，这个却没有像硬件技术指标那样量化的东西去衡量，无法认清差距也就不好去追赶，从这个意义上来说，弥补“软实力”上的差距比“硬实力”更为困难,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,UAV飞行操纵技术涵盖的面很广，无人机的种

14、类繁多其飞行操作也不尽相同，但总的来说，飞行操纵技术可以从两个不同的方面来考虑划分。一是从设计者的角度来看，可以按照前面讲过的用控制方式来划分，可以分为自主控制、遥控和组合控制三方面技术；二是从使用者的角度来看，可以按照整个飞行过程所涉及到的操纵技术层面划分，又可以分为流程操作、状态监控和应急操作三个具体的技术层面,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,1、面向设计的操纵技术 （1）自主控制 在前面在自主控制定义中已经指出，此时飞机处于自动驾驶状态，基本不需要人工干预，此时操纵人员的主要任务就是监控飞机，各系统是否运行正常，是否按照预设航路飞行。 自主控制是无人机最为常态的飞行模式,无人机飞行操纵

15、,五、飞行操纵技术,1、面向设计的操纵技术 （2）遥控 如果说自主控制状态下对飞行操纵的要求是“博闻强记”的话，那么遥控状态下对飞行操纵的要求就是“技艺精湛”。可以说这一方面的技术是无人机飞行操作员最为贴近飞行员的了，特别是对于操控模式接近有人机的无人机来说，遥控是操作手必须熟练掌握的技术,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,1、面向设计的操纵技术 （2）遥控,与有人机相近的无人机飞行操纵,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,1、面向设计的操纵技术 （2）遥控 对于有人机飞行来说“着陆”是最难的一个科目，无人机遥控也是如此。着陆模式包括在训练跑道的一系列接触和走的着陆。在典型的操作中，受训操作手被

16、要求以给定的速度和航向接近。着陆模式包括了5个分段： 逆风段 （航向270 ） 侧风段 （航向360 ） 顺风段 （航向90 ） 基础段 （航向180 ） 终段 （航向270,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,1、面向设计的操纵技术 （3）组合控制 组合控制介于自主和遥控之间，既要求熟知该模式下的操纵特点又要求掌握该模式下的控制技法，该种控制模式可以理解为“更为人性化的自主控制”或是“更为轻松的遥控飞行”，人的干预通常是通过模拟量来完成，杆量的大小、时机需要通过大量的训练和实操去掌握,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,无人机飞行操作员日常工作关系图,无人机飞行操纵,五、

17、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,飞行任务过程工作关系图,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,面向过程的飞行操纵技术关系图,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,1）流程操作 无人机的飞行操作都一套正规流程，如果在飞行中不出现任何意外情况，那么按照这套流程去做，应该能保证飞机从起飞到着陆顺利完成飞行任务。这套“标准动作”是每一名UAV飞行操作员飞行操纵的基础，是必须掌握的。 这套流程一般包括：数据装订、状态检查、起飞操作、空中操作、着陆操作、回收工作这几个部分，下面以”长鹰”为例来进行说明,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,

18、2）状态监控 状态监控就在飞行过程中由操作员通过遥测参数回报来监视控制整个无人机飞行的全过程。因为现代的无人机大多是按照预先装订的航线进行自主飞行，如果不需要临时改变航线或是应对突发意外情况，基本不需要操作员去干涉飞机，因此对于飞行操作员来说，监控状态是飞行中的常态，是每一名操作员最熟悉的也是最应该熟悉的过程,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,2）状态监控 1）飞行参数综合显示 飞行参数综合显示可根据飞行与任务需要，选择需要的系统信息予以显示，便于飞行操纵人员判读,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,2）状态监控 2） 告警 a告警系统分类 告警系

19、统分为视觉告警（灯光告警、颜色告警、文字告警）和听觉告警（语音告警、音调告警,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,2）状态监控 2） 告警 b告警系统设计原则,告警系统设计原则,a）当系统处于正常状态时，应符合静暗控制舱的要求； （b）应尽量减少离散的视觉告警和听觉告警设备数量； （c）应尽量减少对操纵及指挥人员的信息处理和记忆要求的需求量； （d）应尽量减少对操纵及指挥人员察觉与评定故障条件和发出纠正动作指令所需要的时间； （e）应尽量减少告警系统对操纵及指挥人员其他工作的干扰； （f）所设计的告警系统应能适应现在与将来的全部告警功能，在无需增加外部硬件设施的条件下，能

20、够提供告警系统扩展能力； （g）告警系统应具有较高的可靠性，尽量减少或消除未察觉、无效或多余的警告； （h）告警系统启动充要条件是系统存在告警信息； （i）对危及系统安全的主要信息，应采取多次告警，以提高操纵人员的注意力,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,2）状态监控 2） 告警 c告警起因,a）故障告警 （b）飞行状态告警 （c）威胁告警,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,2）状态监控 2） 告警 d告警等级,a）提示 （b）注意 （c）警告,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,2）状态监控 2） 告警 e设计要求,a）

21、视觉告警 （b）语音告警 （c）音调告警,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,2）状态监控 3）重要信息 一般来说对于飞行操作员来说，重要信息是指那些关系到飞行安全的信息，多集中在飞行器、发动机、电气、导航与飞行控制等系统上，特别是那些没有余度设计又关系到飞行安全的重要设备、器件的遥测参数回报信息尤为重要,无人机飞行操纵,五、飞行操纵技术,2、面向过程的操纵技术,3）应急操作 对于飞行操作员来说控制无人机安全飞行，完成预订任务是其职责所在，保证飞行安全始终是飞行操作员非战时飞行的第一准则。当飞行次数不断增多，累计飞行时间不断增长，那么在飞行中出现意外的情况的几率就会不断增

22、加，在这些意外中有些是会威胁到飞行安全的，有些是可能会威胁到飞行安全的，当出现这些意外情况时，对于飞行操作员来说应急操纵就成为了一个不可避免的问题,47,墨菲定律：做某件事情，如果存在着发生差错的可能性，那么，差错迟早总要发生，并且总是在最关键的时候以最坏的形式出现。 海恩法则：在一起重大事故下有29起事故征候，而且在每 个征兆下还会有3的起事故苗头。 事故链概念：大事故极少是因为一个原因引起起的，总是由于许多事件像链条似地连结在一起而发生的，所以，要防止飞行事故,只要切断或打破这个链条上的某一个环节就可以了,对于事故的认识,48,事故链概念图,对于事故的认识,49,圆盘漏洞理论： 在这个理论

23、里有五个因素，即人、机、料、法、环。人指的是所有的飞机都是由人来操作的；机指的是飞机；料指的是飞机所用的材料、燃料；法指的是飞机运行和维修必须遵守的法则；环指的是飞机运行的外部环境。这五个因素穿在一根轴上，但又按照自己的规律在各自的圆盘上运行，每个圆盘上都会存在或者出现不同的漏洞，不安全因素就像一个不间断的光源，当这束光源能够穿透所有五个圆盘时，事故就发生了,对于事故的认识,防患于未然,时刻保持安全飞行,保持冷静，果断决策，将损失降至最低,关于应急操纵主要有三个原则,无人机飞行操纵,六、无人机飞行操作员选拔和训练,人是飞行操纵的灵魂，选拔和训练优秀的飞行操作员对于无人机的灵活使用，发挥其应用的

24、作战效能起着至关重要的作用,无人机飞行操纵,六、无人机飞行操作员选拔和训练,飞行操作员在执行无人机飞行任务中具有极其重要的地位。没有优秀的飞行操作员就不可能圆满完成飞行任务。飞行操作员队伍应该是一个优秀的、特殊的群体。他们的使命要求他们具备甘于奉献、勇于探索的精神，具备深厚的理论基础和精湛的技术，具备客观求实和科学表述的能力。 对于无人机飞行操作员的要求主要有四个方面,1选拔条件,1）基本要求,国际试飞员协会（SETP）对试飞员的要求有明表述：客观、正确、诚信、能力，这四条也可以看作是对无人机飞行操作员的基本要求。其中对能力要求有以下6个方面： 1）正确理解试飞任务单 2）按任务单精准完成试飞

25、任务 3）仔细总结每次飞行结果 4）在飞行中保持警觉，及时发觉不正常现象 5）在飞行中及时正确处置不正常现象 6）保持镇静，具备处置突发事件的能力,2）基础理论要求,作为飞行操作员应该学习和掌握的基础航空科学知识应该包括：空气动力学、飞机性能、飞行力学、飞控系统、导航技术、结构完整性、发动机理论、测控技术、飞机系统理论、地面站系统、任务载荷、虚拟仿真技术等等，可能不同的飞行操作员对某一领域的知识会有所侧重，但在飞行操作员不充裕的情况下，通常要求每个操作员都尽可能有宽广的专业知识，特别是关乎到飞行安全的知识是要求每一个操作员必须掌握的,3）工程要求,理论知识只是为飞行操作员承担飞行任务奠定了技术

26、理论基础，随着参加工程实践，这些知识和理论要不断的应用和深化，也就是学以致用。特别是针对某一型号，操作员必须清楚它的特点，做到有的放矢，这也就是工程要求，主要包括以下六个方面：气动特性、飞控系统特性、发动机特性、结构特性、其他系统特性和综合信息。要求飞行操作员应该认真学习和消化飞机说明书和飞行操纵手册，熟记操作流程并背诵关键参数，做到活学活用,4）飞行技术要求,无人机的飞行操作员不同于有人机，自主飞行是常态飞行，因此自主飞行下的操纵技术也就成为了操作员必须熟练掌握的基本飞行技术。无人机对手动摇杆飞行驾驶技术的要求相对有人机要低，而且准确的说是一种遥控飞行，虽然使用的机会较少，但遥控飞行驾驶技术

27、仍是操作员必须掌握的技术。通常无人机飞行操作员还担负着航线规划员的职责，了解航线规划的知识，会使用航线规划软件根据任务单规划合适的航线也包含在了飞行技术要求之中。此外，飞行操纵手的日常训练大都在飞行仿真模拟器上完成，仿真模拟训练也就成为操纵手需要掌握的飞行技术,无人机飞行操纵,六、无人机飞行操作员选拔和训练,美国空军无人机的操作员大都选自作战部队有经验的飞行员。不仅要求他们驾驶技术娴熟，而且要有一定的作战经历。即使是这样，还要经过无人机基本操纵和作战使用训练后，才能成为一名合格的无人机操作员。经过选拔的飞行员要在内华达州内利斯空军基地的第11侦察中队进行训练，然后，再分配到无人机部队。所以，通

28、常美空军称自己的无人机飞行操作员为“无人机飞行员,2美国空军无人机飞行操作员的选拔方法,无人机飞行操纵,六、无人机飞行操作员选拔和训练,飞行训练在飞行操作员的日常生活中居于主要地位，是保证其水平的基础，也是无人机飞行操纵的基石,3飞行训练,59,眼动热点区域试验数据,60,寻找试验数据统计,无人机飞行操纵,六、无人机飞行操作员选拔和训练,1）美军的训练 美军无人机操作员资格训练依据军种、机种的不同存在较大的差异，但各军种分别还定义了内场飞行员和外场飞行员： 外场飞行员：在地面控制站外部完成无人机发射和回收，可直接利用控制界面和操纵杆操控飞机。 内场飞行员：在地面控制站里面控制无人机进入战区、盘

29、旋待机、执行任务和退出战区；通常只监控自动驾驶仪，也可以在自动驾驶仪的辅助下用驾驶杆对无人机执行有限操作,3飞行训练,1） “捕食者”中空长航时无人机机组编成及人员培养,63,美国空军“捕食者” 无人机机组成员包括：无人机飞行操作员、传感器操作员、常规数据分析任务规划和通信操作员等。 典型情况下，一个任务配备4名无人机操作员，可以两两轮班。一般选择某一班次中较为资深的无人机操作员作为任务指挥官，但是非航空军官也可作为任务指挥官（如情报官)。 整个“捕食者”中空长航时无人机机组规模取决于任务性质，最小的机组规模包含三个人：无人机操作员兼任务指挥官、常规数据分析任务规划和通信操作员、传感器操作员,

30、捕食者”无人机操纵,64,美国空军原则上要求无人机操作员候选人必须是固定翼飞机的飞行员或是具有联邦航空局商业飞行执照和仪表飞行等级资格的导航员。已停飞的飞行员也可以，但是必须愿意执行全球部署任务。 由于都是飞行员或导航员出身，因此只需专业化训练，历时约52周，包括在T-37上的基础飞行训练和在T-l或T-38上的高级飞行训练。联合导航员学员训练大纲根据专业不同历时40至72周不等，武器系统军官的训练周期较长。 除了飞行学员训练之外，无人机操作员候选人还必须完成轮换训练单位的训练，如F-15或F-16等战斗机的改装训练，或者是作战空勤训练中队的训练，如C-130或C-141等运输机的改装训练，并

31、获得任务资格等级。完成后，候选人还必须在内华达州印第安纳斯普林斯空军辅助机场的第1l侦察中队完成历时9周的“捕食者”基础训练,捕食者”无人机操纵,2）“全球鹰”高空长航时无人机机组编成及人员培养,66,全球鹰” 无人机的地面控制系统由发射回收单元和任务控制单元组成。发射回收单元机组成员负责起飞无人机，并将控制权转交给任务控制单元机组成员。任务控制单元的机组成员最少包括任务控制官、指挥控制操作员、任务规划员、通信操作员、图像质量控制技师、维护技师。 在适航性测试中，发射回收单元的飞行机组成员包括：指挥控制主操作员、指挥控制第二操作员和任务规划员。 在作战中，发射回收单元的飞行机组成员只包括一名指挥控制操作员和一名任务规划员,全球鹰”无人机操纵,67,2000年前，处于研发阶段的“全球鹰”无人机尚未配装传感器系统，因此一般只配置指挥控制操作员。“全球鹰”无人机指挥控制操作员候选人最好是军机（固定翼或旋冀）飞行员，或是具有联邦航