基于VR技術(shù)的無人機飛行仿真系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用研究

徐鑒民 劉雙童 姜春華 徐建國 王天偉

摘要：針對無人機等相關(guān)教學(xué)課程，無人機飛行實操教學(xué)環(huán)節(jié)中存在易受場地、空域、天氣等因素的影響，不僅無法保證教學(xué)任務(wù)質(zhì)量，而且學(xué)生個人操作不熟練等因素，易導(dǎo)致無人機的掉落、碰撞等損壞問題。基于VR技術(shù)開發(fā)了無人機飛行仿真和虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，提高了無人機實操教學(xué)的質(zhì)量，減少了實踐教學(xué)中無人機損壞的頻率，并體現(xiàn)了無人機教學(xué)中“以虛為主，虛實結(jié)合”教學(xué)理念。

關(guān)鍵詞：無人機;VR技術(shù);飛行仿真;虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)

中圖分類號：P231? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）15-0155-03

Abstract： For UAV and other related teaching courses， the practical teaching of drone flight is vulnerable to factors such as site， airspace， weather， etc. Not only cannot the quality of teaching tasks be guaranteed， but also due to factors such as students' unskilled operations Damage problems such as the drop and collision of the drone. Based on VR technology， a drone flight simulation and virtual training system has been developed， which improves the quality of drone practical teaching， reduces the frequency of drone damage in practical teaching， and reflects the "virtual behavior" in drone teaching. The teaching concept of "main， combining virtual and real".

Key words：UAV; VR technology; flight simulation; virtual training system

1 引言

無人機因其具有高效快速、作業(yè)成本低、機動靈活、生產(chǎn)周期短、適用范圍廣等特點，廣泛應(yīng)用于建筑（三維建模、施工監(jiān)測、BIM）、交通（鐵路巡檢、應(yīng)急救援、事故現(xiàn)場勘查）、農(nóng)業(yè)（植保、巡檢）、應(yīng)急（火災(zāi)應(yīng)急、疫情應(yīng)急、地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急、救援）、電力、環(huán)保、物流、水利等國家重大工程建設(shè)、資源開發(fā)、災(zāi)害應(yīng)急處理等方面，尤其是在土地利用動態(tài)監(jiān)測、土地資源調(diào)查、基礎(chǔ)測繪、智慧城市建設(shè)、應(yīng)急救災(zāi)測繪數(shù)據(jù)獲取等方面具有廣闊前景[1]。

在無人機航空測繪技術(shù)應(yīng)用市場的需求推動下，無人機航空測繪技術(shù)成為工程測量、測繪工程類專業(yè)核心課的教學(xué)內(nèi)容。但由于無人機價格昂貴、易損壞，大多數(shù)院校無人機數(shù)量少、無人機外業(yè)操作復(fù)雜，操作不當(dāng)具有一定的危險性。且無人機航空測繪技術(shù)專業(yè)課程涵蓋知識點較多、部分內(nèi)容通過紙面教學(xué)學(xué)生難以理解，掌握起來較為困難;在傳統(tǒng)無人機航空測繪教學(xué)中，無人機外業(yè)采集實驗不易開設(shè)，使之成為教學(xué)中的盲點和難點區(qū)域，無人機虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為解決此問題提供了很好的方法。

2 VR技術(shù)

2.1 VR技術(shù)概念

虛擬仿真（VR，即 Virtual Reality）技術(shù)是二十世紀(jì)末興起的一門新的綜合性科學(xué)信息技術(shù)，它是計算機圖形學(xué)、計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計算機視覺、軟件工程、語音識別與合成技術(shù)、傳感與測量技術(shù)及人工智能等多種高新技術(shù)集成的結(jié)晶[2]。其具有交互性（Interaction）、構(gòu)想性（Imagination）和沉浸性（Immersion）的特點，能夠使介入者沉浸在所構(gòu)造的場景之中，以自然的方式與計算機產(chǎn)生的環(huán)境進行交互操作，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境[3]。

2.2 VR技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢

2.2.1 創(chuàng)新了教學(xué)培訓(xùn)情境

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠應(yīng)用計算機、軟件及交互外設(shè)等構(gòu)建虛擬的教學(xué)所需環(huán)境， 使學(xué)生能如同在教學(xué)現(xiàn)場一樣與熒屏上出現(xiàn)的實習(xí)過程進行自由的交流?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)為學(xué)習(xí)者構(gòu)造出開放性的教學(xué)環(huán)境，提供了全新的學(xué)習(xí)場景[4]。

2.2.2 創(chuàng)新了教學(xué)培訓(xùn)手段（理實一體化）

教師可通過虛擬現(xiàn)實、互聯(lián)網(wǎng)、多媒體等技術(shù)的綜合應(yīng)用，在教室中展現(xiàn)出傳統(tǒng)教學(xué)模式中無法實現(xiàn)的部分教學(xué)內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以將學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)模型進行虛擬及虛物實化[5]，如圖1所示。學(xué)生戴上VR眼鏡，通過虛擬系統(tǒng)可直觀地觀察到自己假設(shè)場景所產(chǎn)生的效果或結(jié)果。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠進行實物虛化，虛擬出各種場景創(chuàng)建虛擬課堂，使學(xué)習(xí)者能夠有沉浸式的學(xué)習(xí)體驗。還可以通過小組或團隊的形式，組織學(xué)生進行成員間的成果共享，開展協(xié)作式教學(xué)。在虛擬的課堂教學(xué)氛圍中，學(xué)生可以與老師一起討論交流，開展啟發(fā)式教學(xué)。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，還可以使學(xué)生通過在虛擬場景的身臨其境和自主控制的人機交互，從視覺、聽覺、觸覺等方面獲取外界的反應(yīng)。通過學(xué)生的自我組織，制定、執(zhí)行課程學(xué)習(xí)計劃，并進行自我效果評價，開展個性化式學(xué)習(xí)[6]。

2.2.3? 變革了傳統(tǒng)實訓(xùn)方式

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中突破了傳統(tǒng)實訓(xùn)室的限制，能夠使每一位學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的學(xué)習(xí)特點，通過計算機，在方便的時間里自由地選擇適合自己的學(xué)習(xí)內(nèi)容，包括適合自己的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)速度。這種探索性的學(xué)習(xí)模擬訓(xùn)練方式有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，使學(xué)生能夠在具體的情境中通過主動地探索而獲得知識，從而提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的模擬實訓(xùn)環(huán)境大大增加了實訓(xùn)的內(nèi)容和時間，減少了因?qū)嶋H實訓(xùn)過程中產(chǎn)生的耗材及實訓(xùn)環(huán)節(jié)中的危險性。

2.2.4 豐富教學(xué)培訓(xùn)內(nèi)容

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠豐富教學(xué)內(nèi)容，將實訓(xùn)、實驗等技能訓(xùn)練在課堂中進行。虛擬的實驗實訓(xùn)系統(tǒng)沒有任何危險，學(xué)生可以自行利用計算機多媒體技術(shù)制作各種仿真課件，創(chuàng)建所需要的虛擬實驗情景進行模擬實驗。同時應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還能很好地演示一些抽象的、復(fù)雜的、不宜直接觀察的實驗實訓(xùn)現(xiàn)象，全方位、多角度地展示出教學(xué)內(nèi)容，從而豐富課堂的教學(xué)內(nèi)容。并且學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)，直至完全掌握操作技能為止[7]。

2.2.5 節(jié)約有限的培訓(xùn)成本

虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以虛構(gòu)各種實訓(xùn)環(huán)境、實驗設(shè)備以及實驗操作過程，能夠使大多數(shù)實踐課程在虛擬環(huán)境中進行，大多數(shù)的實踐技能能夠在虛擬環(huán)境中進行模擬訓(xùn)練，從而解決教學(xué)中因?qū)嶒瀳龅?、實驗設(shè)備、天氣等方面的原因而無法進行實驗，并且虛擬訓(xùn)練又可以避免實驗實訓(xùn)設(shè)備的損壞、訓(xùn)練材料消耗等問題，從而有效節(jié)約教育成本。

3? 無人機飛行仿真和虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)

將虛擬仿真技術(shù)與三維激光掃描技術(shù)相結(jié)合，利用Python、Java等語言開發(fā)，在系統(tǒng)中加入無人機課件、操作視頻、三維動畫等資料，利用三維建模技術(shù)建立固定翼無人機及地面接收設(shè)備模型、多旋翼無人機各主要零部件模型，虛擬仿真兩者的飛行功能[8]。將理論與實踐（虛、實）結(jié)合，體現(xiàn)出一種讓人身臨其境的教學(xué)方式，讓學(xué)生利用一臺可以上網(wǎng)的電腦就可以體驗無人機模擬仿真飛行操作、無人機航測影像獲取及后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程。并可不受空間、時間等因素的限制，學(xué)生可以反復(fù)練習(xí)無人機航空測繪各環(huán)節(jié)的操作步驟。極大地節(jié)省教學(xué)經(jīng)費、教學(xué)資源和教學(xué)時間。

無人機飛行仿真和虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)如圖二所示，主要包括：三維飛行場景仿真、無人機仿真、地面站仿真、訓(xùn)練和評估系統(tǒng)四大模塊。三維飛行場景仿真主要包括聲響系統(tǒng)和視景系統(tǒng)，通過聲響系統(tǒng)以及視景系統(tǒng)來模擬無人機飛行時所處的場景以及飛行時飛機螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的聲音，飛機撞地等聲響，給體驗者呈現(xiàn)以最感官的視景;無人機仿真模塊包括控制方式操作系統(tǒng)仿真和運動學(xué)仿真，通過運動學(xué)仿真的方法模擬無人機飛行時的位置、速度、加速度以及其他飛行時的運動狀態(tài)。控制方式操作仿真主要包括無人機飛行時操控仿真，如起飛、懸停、上升下降等操作方式，給人以在真實場景操控?zé)o人機飛行的感覺;地面站仿真包括控制臺、導(dǎo)航臺、傳輸系統(tǒng)。主要通過仿真無線通信設(shè)備，建立地面站與無人機的通信鏈路，獲取無人機的遙測信息，將地面站遙控指令進行上傳。實現(xiàn)通信參數(shù) 選擇，開啟、關(guān)閉串口的功能。接收無人機下傳的數(shù)據(jù);訓(xùn)練和評估系統(tǒng)主要包括學(xué)員模塊、教學(xué)模塊、評估考核三大模塊。學(xué)生可通過學(xué)員模塊自行學(xué)習(xí)并鞏固訓(xùn)練自身薄弱知識環(huán)節(jié)。教師模塊由教師負(fù)責(zé)對無人機的理論以及實踐操作環(huán)節(jié)進行教學(xué)和訓(xùn)練。評估考核模塊是為了確定學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，便于教師更好地了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，該模塊主要從儀器參數(shù)選擇確定、理論知識學(xué)習(xí)以及操作掌握情況三個方面來對學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進行考核與評價。

1）儀器參數(shù)選取評分

地面站參數(shù)的設(shè)置將飛行的成敗和飛行效果，系統(tǒng)建設(shè)中加入這些內(nèi)容的設(shè)計。比如在無人機航線設(shè)計中航高的設(shè)置、旁向重疊度和航向重疊度參數(shù)設(shè)置等都影響著影像成果的精度，所以系統(tǒng)增設(shè)了學(xué)員對儀器參數(shù)設(shè)置的合理程度是否正確給出相應(yīng)的評分。

2）操作環(huán)節(jié)評分

學(xué)生進行在線實踐操作時，通常由于理論知識學(xué)習(xí)不夠深入或不專注，完成實驗要占用很多時間，不利于學(xué)生實驗技能的提升。因此，該系統(tǒng)對學(xué)生完成實驗的時間與無人機飛行操作步驟的正確性進行了記錄考核，并最終得到無人機飛行環(huán)節(jié)操作成績。

3）理論知識環(huán)節(jié)評分

該系統(tǒng)設(shè)置了無人機航空測繪的各個環(huán)節(jié)的視頻、課件、動畫等各種形式的知識資料和習(xí)題集等形式的知識考核內(nèi)容。學(xué)生可以通過這些資料學(xué)習(xí)到無人機概念和空域管理規(guī)定、傾斜攝影測量的定義、無人機航空測繪中各環(huán)節(jié)的基本步驟和注意事項等，通過在線完成習(xí)題集測試來檢核學(xué)習(xí)效果，該系統(tǒng)會自動記錄學(xué)生完成習(xí)題集的情況，以便于教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。學(xué)生可以通過對錯題進行強加訓(xùn)練以此來鞏固學(xué)習(xí)效果。

4 結(jié)束語

隨著測繪科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無人機航空測繪技術(shù)已成為測繪類專業(yè)教學(xué)的重點內(nèi)容。但是由于無人機儀器的貴重以及空域的申請較為困難，無人機飛行現(xiàn)場訓(xùn)練飛行存在一定的難度，大多數(shù)院校測繪相關(guān)專業(yè)的無人機飛行外業(yè)訓(xùn)練較少，VR技術(shù)提供了虛擬教學(xué)的產(chǎn)生，虛擬教學(xué)是在具有良好的交互性、廣域性、開放性、實時性的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中進行的教學(xué)活動。學(xué)習(xí)者完全不受地域、時間等的限制就可以進入虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境進行訓(xùn)練學(xué)習(xí)。無人機航空測繪仿真能較好彌補了這一實驗空缺。

虛擬的實驗環(huán)境、實驗對象和高度仿真的無人機模型，提高了學(xué)生在各種真實環(huán)境中的實訓(xùn)效率，有利于學(xué)生直觀形象地理解抽象原理和知識、極大豐富拓展了無人機飛行和傳統(tǒng)測繪實驗實踐內(nèi)容和實訓(xùn)方式。

后續(xù)的教學(xué)過程中可以利用VR技術(shù)開展惡劣危險環(huán)境中不能實現(xiàn)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)場景以及昂貴儀器的操作仿真等的研發(fā)，實現(xiàn)教學(xué)中“以虛為主，虛實結(jié)合”的教學(xué)理念與方法。

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