農用無人機虛擬仿真項目設計與開發

張偉 王玲 王振鋒 李世欣

摘? 要 無人機和虛擬現實技術是信息技術和人工智能發展的最新成果，利用虛擬現實技術來實現無人機實訓是必要的和可行的。探討無人機虛擬仿真實訓教學的理論基礎，結合無人機實操訓練特點，詳細介紹系統功能模塊和優勢特點以及實際教學流程，為開展無人機實訓教學提供了較好的理論和技術支撐。

關鍵詞 虛擬仿真;人工智能;農用無人機;實訓系統

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）10-0134-03

Abstract Unmanned aerial vehicle （UAV） and virtual reality （VR） technology are the latest achievements of development of informa-tion technology and artificial intelligence. It is necessary and feasible to use virtual reality technology to realize UAV training. This paper discusses the theoretical basis of virtual simulation training teaching for UAV， combined with the characteristics of practical training for UAVs， the system function modules， advantages and characteristics as well as the actual teaching process are introduced in detail， which provides a better theoretical and technical support for the develop-ment of training for UAV.

Key words virtual simulation; artificial intelligence; agricultural UAV; training system

1 前言

隨著社會、科技的進步，無人機的使用滲透進社會各行各業。低空無人機屬于新興技術、高新前沿科技產業，目前已被成功應用于影視航拍、測繪航測、高壓線巡查、遠程監控、救災救援、農藥噴灑、商業表演等領域，越來越多的行業正希望用無人機取代傳統的人工作業方式。

2 開展農用無人機虛擬仿真實訓的必要性和可行性

國家政策層面支持無人機產業和技能教育發展? 國家工業和信息化部提出在2018—2020年重點推動人工智能和實體經濟深度融合，推進人工智能技術產業化、集成應用，并且點名重點培育無人機等八大類人工智能產品。《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》《2018年教育信息化工作要點》等多份文件中指出教育信息化改革將是未來高校/職業院校專業教學與創新發展的新方向[1]。而虛擬現實技術與傳統授課內容結合，則是教育信息化改革的重要組成部分。

無人機廣闊的市場前景和市場需求迫切需要培養無人機技能人才? 據相關部門介紹，新興的無人機技術領域將創造10萬個工作崗位，并將于2025年產生820億美元的經濟效益[2]。伴隨著無人機在民用領域的迅猛發展、不斷升溫，相關人才輸出成為各大高校必然要涉及的領域，國內外各大高校紛紛開始設立無人機相關課程，無人機專業教學模式也引起諸多專家學者的重視。

無人機技能實訓問題亟待解決

1）無人機植保正改變我國農業作業環境，能在有限的時間內快速完成作業，以免錯過任何植保作業時間。然而在這一新興領域，能夠熟練操控無人機進行植保作業的專業人才寥寥無幾[3]。不熟練的植保，可能會導致施藥沒有噴灑到位，病蟲害發作危害作物;重復噴灑，造成原材料浪費，更是留下農藥殘留和土地污染的隱患。

2）無人機高昂的價格和維護成本，使得學校開展普遍性實訓教學成為一種奢望。

3）農用無人機使用教學，在常規教學中無法控制實訓地點以及實訓環境，因此需要引進虛擬現實技術，盡可能模擬各種實訓場景以及環境，從而達成實訓教學效果。

4）在實踐過程中因操控失誤導致的損壞和丟失問題時有發生，大大增加了設備成本投入;而改為通過電腦進行無人機操控飛行訓練，枯燥單調，失去該課程設置的意義。

虛擬現實技術和無人機技能實訓相結合? 虛擬現實技術輔助相關專業教學，能夠使學生完全沉浸在模擬真實1：1建模場景之中，直觀了解相關部件組成以及部件工作原理等內容，幫助學生理解與掌握相關知識。同時通過有趣的互動內容以及人機交互，可以極大地提高學生的學習興趣、學習效率，提升學習成績，進而提升整體教學效率[4]。利用VR空間信息技術展示與交互的教學軟件，利用計算圖形技術創建一個三維視覺效果的虛擬場景，不受無人機類型、外界氣象地理環境、電磁波等因素的干擾和影響，針對學生操控無人機進行模擬訓練，達到培養學生興趣、提高無人機操控能力的目的[5-6]。

3 無人機虛擬仿真實訓系統及其優勢特點

無人機虛擬仿真實訓系統? 無人機虛擬仿真實訓系統是將先進的無人機技術和前沿的虛擬現實技術進行有機結合，通過動捕系統捕捉無人機航線，無線傳輸至虛擬現實平臺，在真實場景下進行無人機植保仿真，直觀感受無人機參數設置導致的不同植保結果，根據觀看到的植保結果，反復修正無人機飛行參數及飛行線路方式，最終找到最優的航線及參數，讓學生在教室中體驗在曠野里的飛行感覺，反復實驗，掌握飛行技術，讓飛行夢變得更加簡單和觸手可及，展現了虛擬現實在教育領域的無限可能性[7-8]。

無人機虛擬仿真實訓系統是一種具備高度沉浸感和逼真度的飛行虛擬仿真系統。要完成無人機系統的作業任務，僅掌握無人機駕駛技能是不夠的，還必須掌握任務載荷的使用技能。無人機虛擬仿真實訓系統具備特定情景的教學和訓練飛行設置，可對飛行記錄進行觀察和回放;具有良好的功能擴展性，可增加無人機真實巡視主要工作項目為虛擬仿真實訓內容，按照專業要求設置相應考評系統，進行實訓效果考評和任務完成效果查看;具備多機聯飛、定制場景等擴展能力。

無人機仿真軟件優勢特點

1）基礎理論知識。系統的知識點講解，包含背景介紹、理論基礎、實驗操作過程中的注意事項等，使學生首先對無人機有一個整體性認識，加深對所學內容的理解。

2）操作技巧講解。在實驗過程中，對關鍵的操作步驟配有文字介紹，全面介紹飛行器的操控方式，并加以語音說明，增強軟件的趣味性，利于學生快速掌握操作重點及難點。

3）雙屏顯示，直觀性教學演示。軟件界面雙屏顯示，同時展示飛行器及遙控器畫面，可以直觀地看到遙控器對飛行器的操控效果。Pad界面實時展示無人機云臺相機的拍攝畫面，并可放大展示飛行軟件APP的操作過程，設定航線，全自動控制飛行過程。

4）兩種學習模式。軟件分為練習模式和操作模式：演示模式下可以正確模擬實驗每一步的操作，學生只需點擊步驟進行每一步操作演示;操作模式下，通過操作步驟指引，學生進行相應操作，完成對整個實驗的練習，并可對操作過程進行評價。

4 農用無人機虛擬仿真系統模塊

軟件以市場上有代表性的農用無人機為參考藍本進行實物建模制作，真實再現農用無人機的結構、運行動畫、原理。該型無人飛機由飛行平臺、導航飛控、噴灑機構三部分組成，可以通過地面遙控或導航飛行噴灑藥劑、粉劑、種子等[9]。利用農用無人機虛擬仿真實訓系統學習，學生可掌握結構原理及操控方法，達到行業操作水平以及認證考試水平。農用無人機虛擬仿真實訓系統，要求能達到河南省級與國家級示范性虛擬仿真教學項目建設水平。

農用無人機結構認知模塊? 真實再現農用無人機的結構，嚴格按各零部件尺寸1：1進行三維實體建模;可將無人機各零部件逐一拆解，包括機體、碳纖維臂、螺旋槳、噴灑結構單元，以及無刷電機、飛行控制器、電子調速器、GPS、圖傳、數傳、雷達、電源、噴灑控制等電子模塊，要求軟件操作中有手動拆解、自動拆解、爆炸圖三種拆解模式;各零部件可逐一抓取、觀察及學習，要求抓取每一個部件時顯示該部件的名稱;零件完全拆解后，可按順序逐一組裝，要求軟件操作中有手動安裝以及自動安裝兩種模式。

農用無人機飛行實訓模塊

1）農用無人機機體快裝快拆、飛行準備以及噴灑結構安裝和調試，包括農藥/肥料在無人機噴灑中的調試方式，要求有詳細的步驟提示以及相應的工具使用。

2）農用無人機植保作業基本要領，應包含飛行模式講解、遙控操器作、GPS導航下路徑規劃飛行、AB點遙控飛行、圖傳與數傳信息講解、調參軟件以及APP講解、無人機參數設置等內容。

3）講解藥液配比和植保基本知識，無人機飛仿的特點及安全注意事項，根據噴灑物和作物對象以及作業場景不同，制定合理的植保策略。

4）農用無人機多環境飛行實訓，要求建立最少三個不同環境，演示并訓練農用無人機飛行情況實時查看，遙控操作，定點、定高巡航，導航自主飛行噴灑等操作，演示并訓練AB點噴灑模式，自動避障、仿地飛行、自動返航、斷點續航、無藥報警、遙控接管等模式，噴灑效果評價等。在不同環境下要求使用不同的飛行策略。

5）農用無人機飛行實訓模塊一：要求有真實操控器連接電腦以及虛擬遙控器仿真操作，可以讓操作者在虛擬的植保飛防作業環境中對遙控器的搖桿、按鈕、撥桿、撥輪等預置功能進行操作訓練。

6）農用無人機飛行實訓模塊二：要求無人機能夠實現仿地飛行、變量噴灑、自動避障以及電子圍欄功能，真實模擬當前農用無人機先進技術功能。

7）交互性答題功能模塊，根據農用無人機知識，設置專業知識考核題，通過答題激勵機制，促進學生興趣培養。

5 農用無人機仿真系統的優勢特點。

軟件三維模擬了農用無人機及農田場景，介紹了無人機的結構，在實際場景中模擬無人機的操作方法并將其應用于農業生產過程中。通過學習，學生加深對農用無人機的了解，掌握農用無人機的操作方法及使用規程，為實際操作打下基礎。農用無人機仿真軟件具有以下優勢特點。

3D仿真場景? 通過搭建三維虛擬仿真場景，建立一個逼真的3D環境，學生以第一人稱在農田場景中漫游并進行靈活的交互式操作。

無人機結構展示? 以真實農用無人機為依據，制作飛行器及遙控器模型，學生可在場景中360°全方位觀察飛機，同時配有無人機結構視頻，對無人機及遙控器的各部分構造及名稱逐一展示，使學生迅速掌握飛機結構。

動畫輔助講解? 對于理論性的知識點，通過Flash動畫進行說明講解，以動畫和文字相結合的形式，把枯燥的知識變為趣味性的動畫展示，更利于學生理解和掌握。

粒子特效模擬? 在實驗過程中，運用粒子特效表現規劃飛行路線、飛機噴灑農藥等過程，增強軟件的真實感，將學生帶入情境中，增強學習的趣味性。

過程式學習模式? 軟件以玉米為例，模擬實驗中用到的器材和設備，并通過模擬農用無人機播種與防控病蟲草害過程，展現從播種到噴灑農藥直至最后玉米生長成熟的全過程，保持模擬過程的完整性及系統性。可用于涉農相關專業學生對于應用農用無人機播種與防控病蟲草害工作流程的認知學習，以及無人機專業學生對農用無人機的操控學習。

6 結語

無人機仿真實訓系統開辟了無人機作業專業技能實訓工作流程模擬教學新模式，為操作人員帶來全新的學習體驗;打破了傳統視頻教學的局限性，以動手操控仿真系統代替原來的只能觀看不能操控的視頻教學，對探索全新的無人機技能實訓模式具有深遠意義。相信隨著無人機仿真實訓系統的推廣和普遍使用，將對推動無人機專業發展、提升無人機技術相關專業建設水平和人才培養質量發揮重要作用。

參考文獻

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[9]李一波，王倉庫，等.有人/無人機編隊三位可視化系統的軟件設計與實現[J].智能系統學報，2016，11（2）：272-278.