有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件及构建方法与流程

1.本发明涉及飞机模块化改装技术领域，尤其是涉及有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件及构建方法。


背景技术：

2.当前，海上、陆上和空中的有人驾驶载具仍然是最主流、数量最多的载具，有人驾驶载具也一直处于不断更新换代的过程中。那些被替代下来的有人驾驶载具尚有部分使用价值，如果被闲置甚至面临淘汰，不仅不能发挥这些载具的作用产生经济效益，还需承担这些载具的维护和存放成本，甚至连载具的拆解也需要支付一笔不小的费用。随着无人驾驶技术的快速发展，无人载具越来越广泛地应用于生产生活的各个领域，尤其是在对人存在高度危险的应用场景，如在作战、反恐、抢险救灾、高原极地等任务中，更是具有不可替代的价值和作用。因此，将这些仍有使用价值的有人驾驶载具改装为无人驾驶载具，用于有人驾驶载具不宜使用的场景和任务，继续发挥其剩余价值，则是一种成本相对较低，并能进一步提升装备经济效益的途径。
3.飞机改装领域，目前已有部分国家和企业对有人驾驶飞机改装为无人机做了多方面的尝试。在民用场景，航天时代电子技术股份有限公司与顺丰控股股份有限公司将运5b运输机改装为飞鸿-98大型物流无人机，2018年10月16日，在国内某飞行试验基地共同开展基于物流运营场景的飞鸿-98大型物流无人机演示飞行试验。2020年12月8日，飞鸿-98大型物流无人机运输在内蒙古鄂托克前旗举办试航仪式，无人运输机按预定航线单日完成“宁夏—内蒙古”两次跨省飞行任务，初步验证了飞鸿98无人机系统对部分适航标准的符合性。
[0004][0005]
在具体改装方式上，现有的有人驾驶飞机改装无人机需要改装电传飞控分系统、供电控制分系统、动力控制分系统、刹车控制分系统等，军事用途飞机还包括火控系统、外挂物管理系统等，其中行飞控系统的改装是最核心、最重要、最复杂、成本最高的。当前的旧型号飞机主要采用机械式飞控系统，因此首先需要进行飞控分系统的电传化改造，拆除原有机械操纵机构，加装齿轮电机驱动设备。低速飞机的操纵力矩较小，可在靠近各个舵面位置直接加装电动舵机，高速飞机的操纵力矩较大，需要采用电动液压伺服机构驱动各个舵面，以替代原有的机械连杆式液压助力机构；然后需要对改装的电传飞控系统进行控制律计算和试验，基本步骤是先理论计算，再仿真推演，然后实装试验，最后修改定型，这一过程需要较长的周期，而且在实装试验阶段还存在较高的失败概率，造成实装损毁。其他分系统的改装相对容易，但大部分也需要对飞机原有的机构和设备做较大的改动，改动之后需要重新测试验证分系统的功能、性能和可靠性等相关数据。由于对飞机各分系统做了较大的修改，现有改装方式需要针对每一型飞机单独设计方案和实施改装，每型飞机的物理尺寸、气动特性、发动机性能等区别，都会影响改装方案的设计。
[0006]
上述改装方式的不足和缺陷在于：（1）通用性差，所有改装方案都针对特定型号载具，每种特定型号载具的改装方案
都需要重新设计，无法移植到不同的型号上，当特定型号改装完成后，针对此型号载具的改装方案和组件也失去了再利用的价值；（2）需要对载具的各个分系统做较大的改动，改装方案复杂，研发成本高，研发周期长，改装工作量大，不利于旧载具的快速改装和使用，改装投入所产生的效益受到载具数量限制，当载具数量较少时，研发成本投入无法摊薄，难以转换为有效收益；（3）不具备智能化，改装后无人驾驶载具的驾驶控制和任务控制仍采用人工远程操作方式，每个载具在使用中仍需要1至2名操作人员，不利于大规模使用；（4）改装工作会永久性地改变原有载具各系统的内部结构，改装后无法还原为有人驾驶的状态。


技术实现要素：

[0007]
为了解决上述有人飞机在改装过程中的技术问题，本发明提供有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件及构建方法。采用如下的技术方案：有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，包括智能体模块、设备操控模块、机械执行机构、传感器组件、任务控制模块、供电组件和设备远程遥控系统；所述智能体模块部署在的专用的智能体算力平台硬件上，并设置在待改装有人驾驶飞机本体上，智能体模块分别与设备操控模块、传感器组件和任务控制模块控制连接，用于接收处理设备操控模块、传感器组件和任务控制模块采集到的各类数据信息，综合当前飞行环境、设备姿态、任务目标等信息综合判断并向设备操控模块、机械执行机构和任务控制模块发出飞控和任务指令；所述设备操控模块用于传输上述飞控和任务指令；所述机械执行机构用于与飞控和任务指令的相关执行动作传递到有人驾驶飞机本体的机载部件，所述机载部件是指必须依靠机械机构执行的机载部件；所述传感器组件用于获取并识别待改装有人驾驶飞机本体内外视觉信息，并传输给智能体模块；所述任务控制模块用于完成智能体模块和待改装有人驾驶飞机本体上任务载荷之间的数据和指令信息的调制处理；所述供电组件用于为各部件供电；所述设备远程遥控系统部署在远程监控中心，通过有人驾驶飞机本体上的航电系统与智能体模块无线通信连接。
[0008]
通过采用上述技术方案，改装套件采用松耦合的模块化设计提高改装套件的通用性，尽量少改动有人飞机原来的各个分系统和部件，改装套件能够连接原有设备的载具设备数据总线获取实时环境参数和设备的运动数据，通过机械传动装置适配各型号设备的机械操纵部件，通过任务控制模块接收任务载荷采集的数据并向任务载荷发送任务指令，所有接口和执行模块都由经过ai训练的智能体组件协调控制。
[0009]
改装套件经过少量改动或者调整即可适配不同型号的设备，构成可用于将多型号有人操控设备改装为无人操控设备的系列改装套件。
[0010]
改装套件包括设备安装部分和支撑环境部分。
[0011]
设备安装部分的主要功能组件包括：智能体模块、设备操控模块、机械执行机构、
传感器组件、任务控制模块；支撑环境部分包括：设备远程监控系统、智能体训练环境。
[0012]
套件各个组件的功能相对独立，各组件自身的功能由部件本身独立完成，不涉及其他组件，各组件之间通过硬件接插件连接，使用本套件自定义的通信协议传输数据，同类组件的硬件接口和通信协议完全通用，各组件之间只传递任务数据和指令，从而实现组件之间的模块化松藕合连接。通过接插件连接的设计可以方便地替换同类组件，如对不同型号的设备进行改装，只需替换对应的机械执行机构、传感器组件等即可，便于研发针对不同设备的系列化改装套件，同时松藕合设计可以方便地进行各组件的独立测试，只需通过接插件连接测试环境，将数据和指令通过输入接口发送给该组件，将处理结果通过输出接口返回给测试环境，即可以模拟出该组件的实际运行环境。
[0013]
可选的，还包括通信组件，所述设备远程遥控系统通过通信组件与智能体模块无线通信连接。
[0014]
通过采用上述技术方案，通信组件用于为改装套件提供具有稳定通信质量的高带宽、低延时、可加密、抗干扰通信信道，保证改装套件与设备远程监控中心和平级套件智能体之间的数据通信传输，如较新型号的设备已经具备满足要求的通信能力，则此通信组件可省略。
[0015]
可选的，所述智能体模块包括智能体、智能算力平台、通信接口、设备操控接口、任务接口和电源接口，所述智能体部署在智能算力平台上，通过通信接口与通信组件通信连接，通过设备操控接口与设备操控模块通信连接，通过任务接口与任务控制模块通信连接，通过电源接口与供电组件电连接。
[0016]
通过采用上述技术方案，智能体（intelligent agent）在人工智能领域是指一个可以获取周围环境信息并做出行动以达成特定任务目标的软件系统，该系统通常是一套具有一定人工智能水平的模型算法软件包。
[0017]
智能体是在智能体训练环境中经过人工智能（ai）训练的模型算法软件包，部署在的专用的智能体算力平台硬件上，算力平台通过高速信号接口连接到设备操控模块、传感器组件和任务控制模块，智能体的主要功能是负责接收处理设备操控模块、传感器组件和任务控制模块采集到的各类数据信息，综合当前飞行环境、设备姿态、任务目标等信息综合判断并向设备操控模块和任务控制模块发出飞控和任务指令，指令包括飞行控制、任务载荷动作、与上级控制中心或平级智能体的通信联络等。
[0018]
可选的，所述设备操作模块包括设备操控数据处理器、机械机构数据接口、数据总线接口、智能体数据接口和电源接口，所述设备操控数据处理器通过智能体数据接口与智能体组件通信连接，通过机械机构数据接口与机械执行机构通信连接，通过数据总线接口与待改装有人驾驶飞机本体的载具设备总线通信连接，通过电源接口与供电组件电连接。
[0019]
通过采用上述技术方案，设备操控模块是连接智能体和原有人操控设备操作控制系统的软硬件融合组件，软件部分主要完成智能体与载具设备数据总线接口和机械执行机构之间的数据信息转换，接收载具设备数据总线传来的各种数据，将电子信号或机械信号转换成智能体所需的各种参数并发送到智能体，接收智能体对设备操控系统发出的指令，将指令转换为航空电子设备或机械执行机构能够识别的信号，将信号通过载具设备数据总线发送给航空电子设备或者机械执行机构，硬件部分主要用于部署模块的软件部分，提供
必要的算力，通过标准化的高速物理和电气接口连接智能体、载具设备数据总线和机械执行机构的数据接口，本方法要求被改装设备具备标准的载具设备数据总线，不具备此总线的设备无法用此方法改装。
[0020]
可选的，所述机械执行机构包括机械臂控制器、设备操控数据接口、操纵杆驱动电机、油门驱动电机和脚蹬驱动电机，所述设备操作模块通过设备操控数据接口与机械臂控制器通信连接，向机械臂控制器发送操作指令，所述机械臂控制器通过操纵杆驱动电机控制待改装有人驾驶飞机本体上的操纵杆，通过油门驱动电机控制油门机械臂，通过脚蹬驱动电机控制脚蹬机械臂。
[0021]
通过采用上述技术方案，机械执行机构用于将操控指令的相关执行动作传递到必须依靠机械机构执行的机载部件，如机械操纵杆/方向盘、机械油门、机械脚蹬/制动踏板等，针对机械执行部件的操作，套件的执行机构采用电机驱动机械臂的方式完成，相应机械执行机构安装在操作员座椅或操作位置，代替操作员四肢的操作动作，机械臂末端与被改装设备操控设备接触的部位配有力反馈装置，可将机械执行机构在操作执行过程中的受力情况返回给设备操控模块，针对相同类型不同型号的设备只需调整机械执行机构的机械臂位置、长度、力度、行程、驱动电机步长等参数即可匹配应用，针对不同类型设备的差异，如飞机和地面车辆的差异，则需替换相应的机械执行机构组件，每类有较大差异的设备，需要配置一种有针对性的机械执行机构组件，对于使用电传操纵系统的设备类型，也可用电传操纵系统接口发送操纵指令，但套件依然支持使用机械执行机构进行改装，对于双座飞机等需要多乘员共同操控的设备，机械执行机构分为多个组件，每个乘员位安装一套对应的机械臂组件，由智能体模块统一控制。
[0022]
可选的，所述操纵杆驱动电机包括第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第一传动连杆、第二传动连杆、第三传动连杆、操作平台、机械抓手和伺服控制器，所述第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机的机壳分别安装在安装箱体内，且呈等边三角形设置，所述安装箱体安装在待改装有人驾驶飞机本体的座位上，所述第一传动连杆、第二传动连杆、第三传动连杆的一端分别与第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机的主动轴传动连接，另一端分别连接在操作平台的侧面，并驱动操作平台在设定范围内360
°
无死角运动，所述机械抓手设置在操作平台上，用于抓住操纵杆并进行操作，所述伺服控制器分别与第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机控制连接，用于控制第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机协作实现机械抓手的设定位置移动，并与机械臂控制器通信连接。
[0023]
通过采用上述技术方案，对于一些不同型号的特殊机型的操纵杆的驱动控制，由于匹配度较差，因此设计一种适应性很好的操纵杆驱动电机来进行匹配驱动，将整体操纵杆驱动电机通过紧固件安装在待改装有人飞机本体原来的座位上，或者底板等可以安装的位置，保证机械抓手的运动范围能覆盖操纵杆即可，设计思路是呈等腰三角布置的伺服电机提供动力，在伺服控制器的驱动下协同动作，通过三个传动连杆的带动实现操作平台7在一定范围内的360
°
无死角移动，再配合机械抓手的联动，实现匹配驱动不同的操纵杆，模拟人手的操纵，对于一些年代久远的有人驾驶飞机的改装适应性大大提高。
[0024]
可选的，传感器组件包括环境信息处理器、前向摄像机、后向摄像机、侧向摄像机、智能体接口和电源接口，所述环境信息处理器通过智能体接口与智能体组件通信连接，通过电源接口与供电组件电连接，所述前向摄像机、后向摄像机和侧向摄像机分别与环境信
息处理器通信连接。
[0025]
通过采用上述技术方案，传感器组件用于代替驾驶员的视觉和听觉，获取并识别设备周围的道路、障碍物、目标等信息，包括前视、后视、侧视等方向的摄像机和云台、设备四周的各类电磁波雷达、超声波传感器等，能够将各种传感器采集的信息进行融合，构成设备周边环境的完整态势，提交给智能体处理。
[0026]
可选的，设备远程遥控系统包括后台控制中心和设备远程监控系统，所述后台控制中心与设备远程监控系统通信连接，设备远程监控系统通过通信组件与智能体组件无线通信连接，设备远程监控系统包括目标分析单元、态势生成单元、任务规划单位和操纵终端单元。
[0027]
通过采用上述技术方案，设备远程遥控系统部署在设备远程监控中心，是改装无人设备执行任务的直接指挥平台，该系统对上连接后方控制中心，对下连接改装套件的智能体，接收改装无人设备发回的数据，为改装无人设备提供任务场景态势信息、任务规划、目标属性等信息，支撑改装无人设备顺利完成任务，该系统内嵌有改装无人设备的人工操纵终端，当改装无人设备的智能体故障、失效、损毁等情况下，可通过系统授权接管改装无人设备的操纵权，由人工直接操纵完成任务，该系统向上联接后方控制中心，可以与后方控制中心双向传输数据，支持将改装无人设备传回的数据直接转发给后方控制中心。
[0028]
有人驾驶飞机的模块化无人控制构建方法，具体方法是：步骤1，模块化无人控制改装套件硬件安装，先安装机械执行机构，并进行，并连接设备操作模块，安装传感器组件和设备操控模块，并分别连接智能体模块，对接任务控制模块，安装供电组件，对接待改装有人驾驶飞机本体的电源，并对接改装套件各部件，为改装套件提供电力供应；步骤2，对改装后的智能体进行ai训练，构建空气动力学和改装设备的物理特性模型，通过运用深度强化学习等人工智能训练方法进行不断迭代，生成能够执行自主飞行任务的智能体，经仿真环境验证、半实物验证和实物验证后，以固件写入形式部署到改装套件的智能体模块中。
[0029]
可选的，步骤2中，智能体的训练采用多种类型模型相结合的方式进行训练，针对严格规程的操作，采用基于规则的模型算法进行规则训练；采用监督学习模型件特定模型训练；采用基于强化学习的模型进行复杂路况决策训练；采用深度学习模型和lvc模型进行信息交互训练；智能体训练还采用lvc模型训练，加强无人设备在任务中自然语言与视觉场景的信息交互。
[0030]
通过采用上述技术方案，智能体训练环境是对改装套件中的智能体进行ai训练的软硬件设施，独立于设备安装部分和控制系统，其主要功能是模拟被改装设备的任务环境和操控特性，通过一系列人工智能训练方法，训练出能够执行自主飞行任务智能体，智能体的训练采用多种类型模型相结合的方式进行训练，针对严格规程的操作，如起飞、降落等，采用基于规则的模型算法，包括状态机、专家系统等；针对特定模式的操作，如正常行进、典型目标识别等，采用监督学习模型，包括决策树、向量机等；针对复杂环境和任务，如复杂路况态势构建、多目标/障碍识别跟踪等，采用基于强化学习的模型，包括q-learning、策略梯
度等；针对非线性信息，如地形地貌地物判读、监控中心自然语言指令识别等，采用深度学习模型，包括循环神经网络、卷积神经网络、注意力机制等。为加强无人设备在任务中自然语言与视觉场景的信息交互，智能体训练还运用lvc（language-visual combined）模型进行训练。智能体的训练遵循常规的数据采集、数据预处理、智能体设计、模型训练、模型评估、模型优化等步骤，但为了加快智能训练的迭代速度，提高训练质量，本技术方案采用虚实结合的方式，在训练过程中将智能体分别嵌入纯数字仿真、半实物和实物仿真模拟器上，先进行纯数字仿真环境训练，经仿真环境验证后再在半实物和实物仿真模拟器上进行训练，通过半实物和实物仿真模拟器验证后，部署到改装套件的智能体算力平台；设备上的任务载荷不属于改装套件的组成部分，但是任务载荷自身的传感器等部件的能够获取有用的数据信息，任务载荷也需要按照智能体下发的指令执行相应动作，如信息采集、货物投送等，因此本套件也设计有连接任务载荷的数据接口。
[0031]
综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：（1）将改装思路从改造设备适应驾乘操纵人员变更为给设备加装智能化操纵套件，通用性明显增强，通过智能体的重新训练和各模块的调参，就可以将更多型号的有人操控设备改装为无人操控设备；（2）具备可不断迭代升级的人工智能，在改装套件中加入智能体可以大幅提高设备的智能化水平，在智能体的智能水平较低时，可由人工操纵执行任务，同时采集大量数据用于训练智能体，当智能体的智能水平达到可用阶段时，即可让无人设备自主执行任务，从而具备智能多机自主任务能力，而且随着人工智能技术不断进步，智能体的智能水平还将不断迭代升级；（3）基本不破坏原设备的电气和机械结构，设备物理尺寸、气动特性、发动机性能和操纵特征不发生明显变化，研发周期短、工作量小，必要时仍可迅速改回为有人操控设备；（4）采用通用化和松耦合设计，套件的相应模块做较小的修改就可以改装不同的机型，改装方案相对简单，研发周期较短，改装工作量小，研发和生产的综合成本较低。
附图说明
[0032]
图1为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件总体功能逻辑结构示意图；图2为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件智能体模块逻辑结构示意图；图3为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件设备操控模块逻辑结构示意图；图4为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件飞机机械执行机构逻辑结构示意图；图5为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件飞机传感器组件逻辑结构示意图；图6为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件任务控制模块逻辑结构示意图；
图7为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件设备远程遥控系统逻辑结构示意图；图8为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件智能体训练环境逻辑结构示意图；图9为本发明有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件的操纵杆驱动电机结构示意图；图10为图9去掉安装箱体顶板状态的俯视结构示意图。
[0033]
附图标记说明：1、第一伺服电机；2、第二伺服电机；3、第三伺服电机；4、第一传动连杆；5、第二传动连杆；6、第三传动连杆；7、操作平台；8、机械抓手；9、安装箱体。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0035]
本发明实施例公开有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件及构建方法。
[0036]
参照图1－图10，有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，包括智能体模块、设备操控模块、机械执行机构、传感器组件、任务控制模块、供电组件和设备远程遥控系统；智能体模块部署在的专用的智能体算力平台硬件上，并设置在待改装有人驾驶飞机本体上，智能体模块分别与设备操控模块、传感器组件和任务控制模块控制连接，用于接收处理设备操控模块、传感器组件和任务控制模块采集到的各类数据信息，综合当前飞行环境、设备姿态、任务目标等信息综合判断并向设备操控模块、机械执行机构和任务控制模块发出飞控和任务指令；设备操控模块用于传输上述飞控和任务指令；机械执行机构用于与飞控和任务指令的相关执行动作传递到有人驾驶飞机本体的机载部件，机载部件是指必须依靠机械机构执行的机载部件；传感器组件用于获取并识别待改装有人驾驶飞机本体内外视觉信息，并传输给智能体模块；任务控制模块用于完成智能体模块和待改装有人驾驶飞机本体上任务载荷之间的数据和指令信息的调制处理；供电组件用于为各部件供电；设备远程遥控系统部署在远程监控中心，通过有人驾驶飞机本体上的航电系统与智能体模块无线通信连接。
[0037]
改装套件采用松耦合的模块化设计提高改装套件的通用性，尽量少改动有人飞机原来的各个分系统和部件，改装套件能够连接原有设备的载具设备数据总线获取实时环境参数和设备的运动数据，通过机械传动装置适配各型号设备的机械操纵部件，通过任务控制模块接收任务载荷采集的数据并向任务载荷发送任务指令，所有接口和执行模块都由经过ai训练的智能体组件协调控制。
[0038]
改装套件经过少量改动或者调整即可适配不同型号的设备，构成可用于将多型号有人操控设备改装为无人操控设备的系列改装套件。
[0039]
改装套件包括设备安装部分和支撑环境部分。
[0040]
设备安装部分的主要功能组件包括：智能体模块、设备操控模块、机械执行机构、
传感器组件、任务控制模块；支撑环境部分包括：设备远程监控系统、智能体训练环境。
[0041]
套件各个组件的功能相对独立，各组件自身的功能由部件本身独立完成，不涉及其他组件，各组件之间通过硬件接插件连接，使用本套件自定义的通信协议传输数据，同类组件的硬件接口和通信协议完全通用，各组件之间只传递任务数据和指令，从而实现组件之间的模块化松藕合连接。通过接插件连接的设计可以方便地替换同类组件，如对不同型号的设备进行改装，只需替换对应的机械执行机构、传感器组件等即可，便于研发针对不同设备的系列化改装套件，同时松藕合设计可以方便地进行各组件的独立测试，只需通过接插件连接测试环境，将数据和指令通过输入接口发送给该组件，将处理结果通过输出接口返回给测试环境，即可以模拟出该组件的实际运行环境。
[0042]
还包括通信组件，设备远程遥控系统通过通信组件与智能体模块无线通信连接。
[0043]
通信组件用于为改装套件提供具有稳定通信质量的高带宽、低延时、可加密、抗干扰通信信道，保证改装套件与设备远程监控中心和平级套件智能体之间的数据通信传输，如较新型号的设备已经具备满足要求的通信能力，则此通信组件可省略。
[0044]
智能体模块包括智能体、智能算力平台、通信接口、设备操控接口、任务接口和电源接口，智能体部署在智能算力平台上，通过通信接口与通信组件通信连接，通过设备操控接口与设备操控模块通信连接，通过任务接口与任务控制模块通信连接，通过电源接口与供电组件电连接。
[0045]
智能体（intelligent agent）在人工智能领域是指一个可以获取周围环境信息并做出行动以达成特定任务目标的软件系统，该系统通常是一套具有一定人工智能水平的模型算法软件包。
[0046]
智能体是在智能体训练环境中经过人工智能（ai）训练的模型算法软件包，部署在的专用的智能体算力平台硬件上，算力平台通过高速信号接口连接到设备操控模块、传感器组件和任务控制模块，智能体的主要功能是负责接收处理设备操控模块、传感器组件和任务控制模块采集到的各类数据信息，综合当前飞行环境、设备姿态、任务目标等信息综合判断并向设备操控模块和任务控制模块发出飞控和任务指令，指令包括飞行控制、任务载荷动作、与上级控制中心或平级智能体的通信联络等。
[0047]
设备操作模块包括设备操控数据处理器、机械机构数据接口、数据总线接口、智能体数据接口和电源接口，设备操控数据处理器通过智能体数据接口与智能体组件通信连接，通过机械机构数据接口与机械执行机构通信连接，通过数据总线接口与待改装有人驾驶飞机本体的载具设备总线通信连接，通过电源接口与供电组件电连接。
[0048]
设备操控模块是连接智能体和原有人操控设备操作控制系统的软硬件融合组件，软件部分主要完成智能体与载具设备数据总线接口和机械执行机构之间的数据信息转换，接收载具设备数据总线传来的各种数据，将电子信号或机械信号转换成智能体所需的各种参数并发送到智能体，接收智能体对设备操控系统发出的指令，将指令转换为航空电子设备或机械执行机构能够识别的信号，将信号通过载具设备数据总线发送给航空电子设备或者机械执行机构，硬件部分主要用于部署模块的软件部分，提供必要的算力，通过标准化的高速物理和电气接口连接智能体、载具设备数据总线和机械执行机构的数据接口，本方法要求被改装设备具备标准的载具设备数据总线，不具备此总线的设备无法用此方法改装。
[0049]
机械执行机构包括机械臂控制器、设备操控数据接口、操纵杆驱动电机、油门驱动电机和脚蹬驱动电机，设备操作模块通过设备操控数据接口与机械臂控制器通信连接，向机械臂控制器发送操作指令，机械臂控制器通过操纵杆驱动电机控制待改装有人驾驶飞机本体上的操纵杆，通过油门驱动电机控制油门机械臂，通过脚蹬驱动电机控制脚蹬机械臂。
[0050]
机械执行机构用于将操控指令的相关执行动作传递到必须依靠机械机构执行的机载部件，如机械操纵杆/方向盘、机械油门、机械脚蹬/制动踏板等，针对机械执行部件的操作，套件的执行机构采用电机驱动机械臂的方式完成，相应机械执行机构安装在操作员座椅或操作位置，代替操作员四肢的操作动作，机械臂末端与被改装设备操控设备接触的部位配有力反馈装置，可将机械执行机构在操作执行过程中的受力情况返回给设备操控模块，针对相同类型不同型号的设备只需调整机械执行机构的机械臂位置、长度、力度、行程、驱动电机步长等参数即可匹配应用，针对不同类型设备的差异，如飞机和地面车辆的差异，则需替换相应的机械执行机构组件，每类有较大差异的设备，需要配置一种有针对性的机械执行机构组件，对于使用电传操纵系统的设备类型，也可用电传操纵系统接口发送操纵指令，但套件依然支持使用机械执行机构进行改装，对于双座飞机等需要多乘员共同操控的设备，机械执行机构分为多个组件，每个乘员位安装一套对应的机械臂组件，由智能体模块统一控制。
[0051]
操纵杆驱动电机包括第一伺服电机1、第二伺服电机2、第三伺服电机3、第一传动连杆4、第二传动连杆5、第三传动连杆6、操作平台7、机械抓手8和伺服控制器，第一伺服电机1、第二伺服电机2、第三伺服电机3的机壳分别安装在安装箱体9内，且呈等边三角形设置，安装箱体9安装在待改装有人驾驶飞机本体的座位上，第一传动连杆4、第二传动连杆5、第三传动连杆6的一端分别与第一伺服电机1、第二伺服电机2、第三伺服电机3的主动轴传动连接，另一端分别连接在操作平台7的侧面，并驱动操作平台7在设定范围内360
°
无死角运动，机械抓手8设置在操作平台7上，用于抓住操纵杆并进行操作，伺服控制器分别与第一伺服电机1、第二伺服电机2、第三伺服电机3控制连接，用于控制第一伺服电机1、第二伺服电机2、第三伺服电机3协作实现机械抓手8的设定位置移动，并与机械臂控制器通信连接。
[0052]
对于一些不同型号的特殊机型的操纵杆的驱动控制，由于匹配度较差，因此设计一种适应性很好的操纵杆驱动电机来进行匹配驱动，将整体操纵杆驱动电机通过紧固件安装在待改装有人飞机本体原来的座位上，或者将座位拆除安装在底板上，再或者可以安装在操纵杆附近的空闲位置，只需保证机械抓手8的运动范围能覆盖操纵杆即可，设计思路是呈等腰三角布置的伺服电机提供动力，在伺服控制器的驱动下协同动作，通过三个传动连杆的带动实现操作平台7在一定范围内的360
°
无死角移动，再配合机械抓手8的联动，实现匹配驱动不同的操纵杆，模拟人手的操纵，对于一些年代久远的有人驾驶飞机的改装适应性大大提高。
[0053]
传感器组件包括环境信息处理器、前向摄像机、后向摄像机、侧向摄像机、智能体接口和电源接口，环境信息处理器通过智能体接口与智能体组件通信连接，通过电源接口与供电组件电连接，前向摄像机、后向摄像机和侧向摄像机分别与环境信息处理器通信连接。
[0054]
传感器组件用于代替驾驶员的视觉和听觉，获取并识别设备周围的道路、障碍物、目标等信息，包括前视、后视、侧视等方向的摄像机和云台、设备四周的各类电磁波雷达、超
声波传感器等，能够将各种传感器采集的信息进行融合，构成设备周边环境的完整态势，提交给智能体处理。
[0055]
设备远程遥控系统包括后台控制中心和设备远程监控系统，后台控制中心与设备远程监控系统通信连接，设备远程监控系统通过通信组件与智能体组件无线通信连接，设备远程监控系统包括目标分析单元、态势生成单元、任务规划单位和操纵终端单元。
[0056]
设备远程遥控系统部署在设备远程监控中心，是改装无人设备执行任务的直接指挥平台，该系统对上连接后方控制中心，对下连接改装套件的智能体，接收改装无人设备发回的数据，为改装无人设备提供任务场景态势信息、任务规划、目标属性等信息，支撑改装无人设备顺利完成任务，该系统内嵌有改装无人设备的人工操纵终端，当改装无人设备的智能体故障、失效、损毁等情况下，可通过系统授权接管改装无人设备的操纵权，由人工直接操纵完成任务，该系统向上联接后方控制中心，可以与后方控制中心双向传输数据，支持将改装无人设备传回的数据直接转发给后方控制中心。
[0057]
有人驾驶飞机的模块化无人控制构建方法，具体方法是：步骤1，模块化无人控制改装套件硬件安装，先安装机械执行机构，并进行，并连接设备操作模块，安装传感器组件和设备操控模块，并分别连接智能体模块，对接任务控制模块，安装供电组件，对接待改装有人驾驶飞机本体的电源，并对接改装套件各部件，为改装套件提供电力供应；步骤2，对改装后的智能体进行ai训练，构建空气动力学和改装设备的物理特性模型，通过运用深度强化学习等人工智能训练方法进行不断迭代，生成能够执行自主飞行任务的智能体，经仿真环境验证、半实物验证和实物验证后，以固件写入形式部署到改装套件的智能体模块中。
[0058]
步骤2中，智能体的训练采用多种类型模型相结合的方式进行训练，针对严格规程的操作，采用基于规则的模型算法进行规则训练；采用监督学习模型件特定模型训练；采用基于强化学习的模型进行复杂路况决策训练；采用深度学习模型和lvc模型进行信息交互训练；智能体训练还采用lvc模型训练，加强无人设备在任务中自然语言与视觉场景的信息交互。
[0059]
本发明实施例有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件及构建方法的实施原理为：如图1所示，本实施例中改装套件包括设备安装部分和支撑环境部分，设备安装部分由功能部件和辅助设备组成，功能部件包括：智能体（intelligent agent）模块、设备操控模块、任务控制模块、载具设备数据总线接口、机械执行机构，辅助设备包括：供电组件、通信组件；支撑环境部分包括：设备远程遥控系统、智能体训练环境。
[0060]
设备安装部分是改装套件的核心，智能体模块是套件的中央控制部件，与设备操控模块、任务控制模块和通信组件通过有线高速数据通道连接，数据通道为双向通信模式，可将设备操控模块、任务控制模块和通信组件的上传数据传送到智能体模块，将智能体发出的操纵指令和数据传送到设备操控模块、任务控制模块和通信组件；通信组件（可选）由天线、馈线、数字通信处理器、加密模块、电源等组成，（可选）用
于为改装套件提供具有稳定通信质量的高带宽、低延时、可加密、抗干扰通信信道，保证改装套件与控制中心和平级套件智能体之间的数据通信传输；供电组件对接原机上的电源，为改装套件的各个用电部件提供充足可靠的电源供应，通常采用双路冗余模式供电，需供电的模块包括智能体模块、设备操控模块、任务控制模块、机械执行机构、通信组件等；智能体训练环境通常部署于后方生产基地，针对不同型号的被待改装设备型号训练相应的智能体，完成训练后安装部署到相应套件的智能体模块中；设备远程遥控系统部署在直接指挥无人设备执行任务的设备远程监控中心内，设备远程监控中心既可以是可移动的设备，包括车辆、舰船、飞机等，也可以是地面固定设施，与依托高速可靠的无线通信链路与机载套件通信，其内嵌的人工操纵终端也可直接遥控改装无人设备，设备远程监控中心与后方控制中心通常采用高速可靠的无线通信链路连接，双向传输任务数据信息，当设备远程监控中心位置相对固定时，也可通过光缆等有线通信链路与后方控制中心连接；如图2所示，智能体模块由智能体算力平台、智能体、设备操控接口、任务接口、通信接口和电源接口组成，分别连接设备操控模块、任务控制模块、通信组件和供电组件，设备操控接口用于接收驾驶数据、发送设备操控指令，任务接口负责接收任务载荷数据，发送任务载荷动作指令，通信接口负责通过通信组件与设备远程遥控系统和平级改装无人设备通信，智能体通过固件形式写入智能体算力平台的存储器中，改装套件通电启动后，智能体被调入智能体算力平台运行，根据设备操控模块、任务控制模块和通信组件传来的数据信息，实时计算得出当前需要执行的行驶动作、任务载荷动作和需要发送的通信数据，发送到相应模块执行；如图3所示，设备操控模块由设备操控数据处理器、智能体数据接口、载具设备数据总线接口、机械机构数据接口、电源接口组成，设备操控数据处理器完成智能体数据、指令与载具设备数据总线数据、机械执行机构之间的数据转换处理，具体是将载具设备数据总线和机械执行机构上传的数据转换为智能体所需的态势数据和计算参数，将智能体下发的设备操控指令转换为载具设备数据总线和机械执行机构可识别的数据和指令；智能体数据接口连接智能体模块，完成设备操控数据处理器和智能体模块之间的双向数据传输；载具设备数据总线接口连接原机载具设备数据总线，兼容载具设备数据总线的物理、电气和数据协议标准，载具设备数据总线连接的所有机载设备均可与设备操控数据处理器进行双向数据传输；机械机构数据接口连接机械执行机构，完成设备操控数据处理器和机械执行机构之间的双向数据传输，将设备操控数据处理器转换后的机械作动指令经发送到机械执行机构，包括但不限于机械臂位置、角度、行程等，将机械执行机构传回的机械臂位置信息并由设备操控数据处理器；如图4机械执行机构由机械臂控制器、设备操控数据接口、驱动电机、机械臂和电源接口组成，机械执行机构基座、机械臂控制器和设备操控数据接口整体安装固定在驾驶员座椅位置（必要时可拆除该位置的座椅），设备操控数据接口连接设备操控模块，用于接收设备操控模块下发的机械操纵指令，上传机械操纵设备的实时状态数据，机械臂控制器
用于将设备操控模块下发的机械操纵指令转换为机械臂控制信号并发送到相应机械臂，并将机载机械操纵设备的实时状态数据发送给设备操控模块；由基座分别向操纵杆/方向盘、油门、脚蹬伸出机械臂，每支机械臂控制一个机械装置，其中控制操纵杆/方向盘的机械臂可采用多自由度设计，实现操纵杆/方向盘在其允许运动方向的自由运动，控制油门的机械臂可控制油门的加减和锁定，控制脚蹬的机械臂可以控制脚蹬的下踩深度，机械执行机构仅完成操纵杆/方向盘、油门和脚蹬的机械操纵功能，操纵杆/方向盘和油门上的各个按键功能由设备操控模块通过载具设备数据总线直接控制作动设备完成，如果飞机是双座型号，则在有机械操纵装置的副驾驶座椅或后舱座椅位置也安装一套机械臂组件，两套机械臂组件在智能体的统一控制下协同工作，通常只有一套机械臂组件工作，另一套备用，若副驾驶座椅或后舱座椅无机械操纵装置，则可不安装机械臂组件；如图5所示，改装飞机的传感器组件由环境信息处理器、智能体接口、前向摄像机、后向摄像机、侧向（左/右）摄像机等组成，智能体接口连接智能体模块，将环境信息处理器处理好的图像信息发送到智能体，智能体通过智能图像识别功能，将环境中的特定事物（如道路、障碍物、生物、机场、跑道、任务目标等）识别和标定出来，实现地图匹配行驶、避障、目标识别等功能，有效支撑任务的完成；前向摄像机、后向摄像机、侧向（左/右）摄像机覆盖可见光和红外光波段，每个方向可安装1台或多台摄像机，每台摄像机与相邻摄像机视角不少于30%的叠加；环境信息处理器主要负责接收各摄像机上传的图像，采用图像拼接融合技术合成设备360度全景图像发送给智能体；如图6所示，任务控制模块由任务数据处理器、智能体数据接口、任务载荷数据接口和电源接口组成，智能体数据接口连接智能体模块，用于任务数据处理器和智能体模块之间的双向数据传输，任务载荷数据接口连接任务载荷，用于任务数据处理器与任务载荷之间的双向数据传输，任务数据处理器接收任务载荷状态和自身携带的传感器数据，转换为智能体计算需要的参数后上传至智能体模块，将智能体模块发出的任务指令转换为载荷动作下发给任务载荷执行；如图7所示，设备远程遥控系统部署在设备远程监控中心（有人设备）上，是改装设备执行任务的直接指挥平台，该系统通过无线链路连接改装无人设备，接收改装无人设备发回的数据，为改装无人设备提供任务场景态势、任务规划、目标属性等信息，支撑改装无人设备顺利完成任务，该系统内嵌有改装无人设备的人工操纵终端，当改装无人设备的智能体故障、失效、损毁等情况下，可通过系统授权接管改装无人设备的操纵权，由人工直接操纵完成任务，该系统可通过通信链路连接后方控制中心双向传输数据，支持将改装无人设备传回的数据直接转发给后方控制中心，并接受后方的指挥；如图8所示，智能体训练环境由硬件平台、训练引擎、资源管理界面等组成，部署于改装套件的生产环境中，独立于设备安装部分和控制系统，硬件平台主要包括cpu服务器、gpu服务器和高速网络设备，为智能体训练提供足够的算力、充足的存储空间和高速的网络传输能力，训练引擎是训练智能体的主要软件环境，提供各种人工智能算法、训练用数据和建模工具，资源管理界面是智能体训练的管理界面，提供软硬件资源调配、系统设置、数据和智能体导入导出功能；
智能体训练的方法是构建空气动力学和改装设备的物理特性模型，通过运用深度强化学习等人工智能训练方法进行不断迭代，生成能够执行自主飞行任务的智能体，经仿真环境验证、半实物验证和实物验证后，以固件写入形式部署到改装套件的智能体模块中。
[0061]
以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，其特征在于：包括智能体模块、设备操控模块、机械执行机构、传感器组件、任务控制模块、供电组件和设备远程遥控系统；所述智能体模块部署在的专用的智能体算力平台硬件上，并设置在待改装有人驾驶飞机本体上，智能体模块分别与设备操控模块、传感器组件和任务控制模块控制连接，用于接收处理设备操控模块、传感器组件和任务控制模块采集到的数据信息，综合当前飞行环境、设备姿态、任务目标信息综合判断并向设备操控模块、机械执行机构和任务控制模块发出飞控和任务指令；所述设备操控模块用于传输上述飞控和任务指令；所述机械执行机构用于与飞控和任务指令的相关执行动作传递到有人驾驶飞机本体的机载部件，所述机载部件是指必须依靠机械机构执行的机载部件；所述传感器组件用于获取并识别待改装有人驾驶飞机本体内外视觉信息，并传输给智能体模块；所述任务控制模块用于完成智能体模块和待改装有人驾驶飞机本体上任务载荷之间的数据和指令信息的调制处理；所述供电组件用于为各部件供电；所述设备远程遥控系统部署在远程监控中心，通过有人驾驶飞机本体上的航电系统与智能体模块无线通信连接。2.根据权利要求1所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，其特征在于：还包括通信组件，所述设备远程遥控系统通过通信组件与智能体模块无线通信连接。3.根据权利要求2所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，其特征在于：所述智能体模块包括智能体、智能算力平台、通信接口、设备操控接口、任务接口和电源接口，所述智能体部署在智能算力平台上，通过通信接口与通信组件通信连接，通过设备操控接口与设备操控模块通信连接，通过任务接口与任务控制模块通信连接，通过电源接口与供电组件电连接。4.根据权利要求3所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，其特征在于：所述设备操作模块包括设备操控数据处理器、机械机构数据接口、数据总线接口、智能体数据接口和电源接口，所述设备操控数据处理器通过智能体数据接口与智能体组件通信连接，通过机械机构数据接口与机械执行机构通信连接，通过数据总线接口与待改装有人驾驶飞机本体的载具设备总线通信连接，通过电源接口与供电组件电连接。5.根据权利要求4所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，其特征在于：所述机械执行机构包括机械臂控制器、设备操控数据接口、操纵杆驱动电机、油门驱动电机和脚蹬驱动电机，所述设备操作模块通过设备操控数据接口与机械臂控制器通信连接，向机械臂控制器发送操作指令，所述机械臂控制器通过操纵杆驱动电机控制待改装有人驾驶飞机本体上的操纵杆，通过油门驱动电机控制油门机械臂，通过脚蹬驱动电机控制脚蹬机械臂。6.根据权利要求5所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，其特征在于：所述操纵杆驱动电机包括第一伺服电机（1）、第二伺服电机（2）、第三伺服电机（3）、第一传动连杆（4）、第二传动连杆（5）、第三传动连杆（6）、操作平台（7）、机械抓手（8）和伺服控制器，所述第一伺服电机（1）、第二伺服电机（2）、第三伺服电机（3）的机壳分别安装在安装箱体（9）内，且呈等边三角形设置，所述安装箱体（9）安装在待改装有人驾驶飞机本体的座位上，所
述第一传动连杆（4）、第二传动连杆（5）、第三传动连杆（6）的一端分别与第一伺服电机（1）、第二伺服电机（2）、第三伺服电机（3）的主动轴传动连接，另一端分别连接在操作平台（7）的侧面，并驱动操作平台（7）在设定范围内360
°
无死角运动，所述机械抓手（8）设置在操作平台（7）上，用于抓住操纵杆并进行操作，所述伺服控制器分别与第一伺服电机（1）、第二伺服电机（2）、第三伺服电机（3）控制连接，用于控制第一伺服电机（1）、第二伺服电机（2）、第三伺服电机（3）协作实现机械抓手（8）的设定位置移动，并与机械臂控制器通信连接。7.根据权利要求6所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，其特征在于：传感器组件包括环境信息处理器、前向摄像机、后向摄像机、侧向摄像机、智能体接口和电源接口，所述环境信息处理器通过智能体接口与智能体组件通信连接，通过电源接口与供电组件电连接，所述前向摄像机、后向摄像机和侧向摄像机分别与环境信息处理器通信连接。8.根据权利要求7所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件，其特征在于：设备远程遥控系统包括后台控制中心和设备远程监控系统，所述后台控制中心与设备远程监控系统通信连接，设备远程监控系统通过通信组件与智能体组件无线通信连接，设备远程监控系统包括目标分析单元、态势生成单元、任务规划单位和操纵终端单元。9.有人驾驶飞机的模块化无人控制构建方法，其特征在于，采用权利要求8所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件进行构建，具体方法是：步骤1，模块化无人控制改装套件硬件安装，先安装机械执行机构，并进行，并连接设备操作模块，安装传感器组件和设备操控模块，并分别连接智能体模块，对接任务控制模块，安装供电组件，对接待改装有人驾驶飞机本体的电源，并对接改装套件各部件，为改装套件提供电力供应；步骤2，对改装后的智能体进行ai训练，构建空气动力学和改装设备的物理特性模型，通过运用深度强化学习的人工智能训练方法进行不断迭代，生成能够执行自主飞行任务的智能体，经仿真环境验证、半实物验证和实物验证后，以固件写入形式部署到改装套件的智能体模块中。10.根据权利要求9所述的有人驾驶飞机的模块化无人控制构建方法，其特征在于：步骤2中，智能体的训练采用多种类型模型相结合的方式进行训练，针对严格规程的操作，采用基于规则的模型算法进行规则训练；采用监督学习模型件特定模型训练；采用基于强化学习的模型进行复杂路况决策训练；采用深度学习模型和lvc模型进行信息交互训练；智能体训练还采用lvc模型训练，加强无人设备在任务中自然语言与视觉场景的信息交互。

技术总结
本发明公开了有人驾驶飞机的模块化无人控制改装套件及构建方法，涉及飞机模块化改装技术领域，包括智能体模块、设备操控模块、机械执行机构、传感器组件、任务控制模块、供电组件和设备远程遥控系统。本发明将改装思路从改造设备适应操纵人员变更为给设备加装智能化操纵套件，通用性明显增强，通过智能体的重新训练和各模块的调参，就可以将更多型号的有人操控设备改装为无人操控设备；具备可不断迭代升级的人工智能，随着人工智能技术不断进步，智能体的智能水平还将不断迭代升级；基本不破坏原设备的电气和机械结构；采用通用化和松耦合设计，套件的相应模块做较小的修改就可以改装不同的机型。不同的机型。不同的机型。


技术研发人员：储瑞忠 樊福辉 王嫣嫣 周建华 杨斌 曾娅红 黄韬 张舰远 朱莹 薛仲临 金润炀 王璐 龚振 王晓卫
受保护的技术使用者：北京瀚科智翔科技发展有限公司
技术研发日：2023.06.13
技术公布日：2023/7/21