基于VR技術的無人機飛行仿真系統在教學中的應用研究

徐鑒民 劉雙童 姜春華 徐建國 王天偉

摘要：針對無人機等相關教學課程，無人機飛行實操教學環節中存在易受場地、空域、天氣等因素的影響，不僅無法保證教學任務質量，而且學生個人操作不熟練等因素，易導致無人機的掉落、碰撞等損壞問題。基于VR技術開發了無人機飛行仿真和虛擬訓練系統，提高了無人機實操教學的質量，減少了實踐教學中無人機損壞的頻率，并體現了無人機教學中“以虛為主，虛實結合”教學理念。

關鍵詞：無人機;VR技術;飛行仿真;虛擬訓練系統

中圖分類號：P231? ? ? ? 文獻標識碼：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、作業成本低、機動靈活、生產周期短、適用范圍廣等特點，廣泛應用于建筑（三維建模、施工監測、BIM）、交通（鐵路巡檢、應急救援、事故現場勘查）、農業（植保、巡檢）、應急（火災應急、疫情應急、地質災害應急、救援）、電力、環保、物流、水利等國家重大工程建設、資源開發、災害應急處理等方面，尤其是在土地利用動態監測、土地資源調查、基礎測繪、智慧城市建設、應急救災測繪數據獲取等方面具有廣闊前景[1]。

在無人機航空測繪技術應用市場的需求推動下，無人機航空測繪技術成為工程測量、測繪工程類專業核心課的教學內容。但由于無人機價格昂貴、易損壞，大多數院校無人機數量少、無人機外業操作復雜，操作不當具有一定的危險性。且無人機航空測繪技術專業課程涵蓋知識點較多、部分內容通過紙面教學學生難以理解，掌握起來較為困難;在傳統無人機航空測繪教學中，無人機外業采集實驗不易開設，使之成為教學中的盲點和難點區域，無人機虛擬仿真技術的出現為解決此問題提供了很好的方法。

2 VR技術

2.1 VR技術概念

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

2.2 VR技術在教學中的優勢

2.2.1 創新了教學培訓情境

虛擬現實技術能夠應用計算機、軟件及交互外設等構建虛擬的教學所需環境， 使學生能如同在教學現場一樣與熒屏上出現的實習過程進行自由的交流。基于互聯網的虛擬現實技術為學習者構造出開放性的教學環境，提供了全新的學習場景[4]。

2.2.2 創新了教學培訓手段（理實一體化）

教師可通過虛擬現實、互聯網、多媒體等技術的綜合應用，在教室中展現出傳統教學模式中無法實現的部分教學內容。虛擬現實技術可以將學生學習過程中所提出的各種假設模型進行虛擬及虛物實化[5]，如圖1所示。學生戴上VR眼鏡，通過虛擬系統可直觀地觀察到自己假設場景所產生的效果或結果。虛擬現實系統能夠進行實物虛化，虛擬出各種場景創建虛擬課堂，使學習者能夠有沉浸式的學習體驗。還可以通過小組或團隊的形式，組織學生進行成員間的成果共享，開展協作式教學。在虛擬的課堂教學氛圍中，學生可以與老師一起討論交流，開展啟發式教學。運用虛擬現實技術，還可以使學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。通過學生的自我組織，制定、執行課程學習計劃，并進行自我效果評價，開展個性化式學習[6]。

2.2.3? 變革了傳統實訓方式

虛擬現實技術在教學中突破了傳統實訓室的限制，能夠使每一位學習者根據自己的學習特點，通過計算機，在方便的時間里自由地選擇適合自己的學習內容，包括適合自己的學習方式和學習速度。這種探索性的學習模擬訓練方式有利于激發學生的創造性思維，使學生能夠在具體的情境中通過主動地探索而獲得知識，從而提高學生的學習動力。運用虛擬現實技術構建的模擬實訓環境大大增加了實訓的內容和時間，減少了因實際實訓過程中產生的耗材及實訓環節中的危險性。

2.2.4 豐富教學培訓內容

虛擬現實技術能夠豐富教學內容，將實訓、實驗等技能訓練在課堂中進行。虛擬的實驗實訓系統沒有任何危險，學生可以自行利用計算機多媒體技術制作各種仿真課件，創建所需要的虛擬實驗情景進行模擬實驗。同時應用虛擬現實技術還能很好地演示一些抽象的、復雜的、不宜直接觀察的實驗實訓現象，全方位、多角度地展示出教學內容，從而豐富課堂的教學內容。并且學生可以反復練習，直至完全掌握操作技能為止[7]。

2.2.5 節約有限的培訓成本

虛擬現實技術可以虛構各種實訓環境、實驗設備以及實驗操作過程，能夠使大多數實踐課程在虛擬環境中進行，大多數的實踐技能能夠在虛擬環境中進行模擬訓練，從而解決教學中因實驗場地、實驗設備、天氣等方面的原因而無法進行實驗，并且虛擬訓練又可以避免實驗實訓設備的損壞、訓練材料消耗等問題，從而有效節約教育成本。

3? 無人機飛行仿真和虛擬訓練系統

將虛擬仿真技術與三維激光掃描技術相結合，利用Python、Java等語言開發，在系統中加入無人機課件、操作視頻、三維動畫等資料，利用三維建模技術建立固定翼無人機及地面接收設備模型、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）結合，體現出一種讓人身臨其境的教學方式，讓學生利用一臺可以上網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數據處理過程。并可不受空間、時間等因素的限制，學生可以反復練習無人機航空測繪各環節的操作步驟。極大地節省教學經費、教學資源和教學時間。

無人機飛行仿真和虛擬訓練系統如圖二所示，主要包括：三維飛行場景仿真、無人機仿真、地面站仿真、訓練和評估系統四大模塊。三維飛行場景仿真主要包括聲響系統和視景系統，通過聲響系統以及視景系統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產生的聲音，飛機撞地等聲響，給體驗者呈現以最感官的視景;無人機仿真模塊包括控制方式操作系統仿真和運動學仿真，通過運動學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。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無人機飛行的感覺;地面站仿真包括控制臺、導航臺、傳輸系統。主要通過仿真無線通信設備，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。實現通信參數 選擇，開啟、關閉串口的功能。接收無人機下傳的數據;訓練和評估系統主要包括學員模塊、教學模塊、評估考核三大模塊。學生可通過學員模塊自行學習并鞏固訓練自身薄弱知識環節。教師模塊由教師負責對無人機的理論以及實踐操作環節進行教學和訓練。評估考核模塊是為了確定學生的學習效果，便于教師更好地了解學生的學習情況，該模塊主要從儀器參數選擇確定、理論知識學習以及操作掌握情況三個方面來對學生的學習情況進行考核與評價。

1）儀器參數選取評分

地面站參數的設置將飛行的成敗和飛行效果，系統建設中加入這些內容的設計。比如在無人機航線設計中航高的設置、旁向重疊度和航向重疊度參數設置等都影響著影像成果的精度，所以系統增設了學員對儀器參數設置的合理程度是否正確給出相應的評分。

2）操作環節評分

學生進行在線實踐操作時，通常由于理論知識學習不夠深入或不專注，完成實驗要占用很多時間，不利于學生實驗技能的提升。因此，該系統對學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節操作成績。

3）理論知識環節評分

該系統設置了無人機航空測繪的各個環節的視頻、課件、動畫等各種形式的知識資料和習題集等形式的知識考核內容。學生可以通過這些資料學習到無人機概念和空域管理規定、傾斜攝影測量的定義、無人機航空測繪中各環節的基本步驟和注意事項等，通過在線完成習題集測試來檢核學習效果，該系統會自動記錄學生完成習題集的情況，以便于教師了解學生的學習情況。學生可以通過對錯題進行強加訓練以此來鞏固學習效果。

4 結束語

隨著測繪科學技術的發展，無人機航空測繪技術已成為測繪類專業教學的重點內容。但是由于無人機儀器的貴重以及空域的申請較為困難，無人機飛行現場訓練飛行存在一定的難度，大多數院校測繪相關專業的無人機飛行外業訓練較少，VR技術提供了虛擬教學的產生，虛擬教學是在具有良好的交互性、廣域性、開放性、實時性的虛擬學習環境中進行的教學活動。學習者完全不受地域、時間等的限制就可以進入虛擬的學習環境進行訓練學習。無人機航空測繪仿真能較好彌補了這一實驗空缺。

虛擬的實驗環境、實驗對象和高度仿真的無人機模型，提高了學生在各種真實環境中的實訓效率，有利于學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測繪實驗實踐內容和實訓方式。

后續的教學過程中可以利用VR技術開展惡劣危險環境中不能實現的實踐教學環節場景以及昂貴儀器的操作仿真等的研發，實現教學中“以虛為主，虛實結合”的教學理念與方法。

參考文獻：

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[7] 賴晶亮，王康.虛擬現實技術在職業教育教學中的應用研究——基于建構主義的視角[J].廣東輕工職業技術學院學報，2020，19（2）：44-49.

[8] 張雄，葉榛，朱紀洪等.基于虛擬現實的無人駕駛飛機仿真訓練系統[J].系統仿真學報，2002，14（8）：1022-1025.

【通聯編輯：王力】