基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)模式探索

吳大偉

（河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院 江蘇·南京 211100）

復(fù)雜工程問題源自現(xiàn)代工程的綜合性、多樣性、跨學(xué)科交融等特征。而培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力是新時代發(fā)展的必然要求。傳統(tǒng)工科教學(xué)框架下的人才培養(yǎng)模式以教師為主體、以課堂講授為核心環(huán)節(jié)，對工程教育專業(yè)認(rèn)證推行的“以學(xué)生為本”“以產(chǎn)生為導(dǎo)向”“以培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程能力為核心”的精神內(nèi)涵執(zhí)行不夠深入[1-2]。《現(xiàn)代控制理論》是自動化學(xué)科核心課程，既是《自動控制原理》課程的發(fā)展，也是《線性系統(tǒng)理論》《魯棒控制》《最優(yōu)控制》等研究生課程的基礎(chǔ)，具有十分關(guān)鍵的啟承作用。現(xiàn)代控制理論被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，對我國工業(yè)化以及軍工領(lǐng)域起了非常重要的作用，特別是在工業(yè)制造領(lǐng)域、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動生產(chǎn)線等[3]。因此，新時代下的《現(xiàn)代控制原理》教學(xué)，應(yīng)大力發(fā)展第二課堂，緊密結(jié)合行業(yè)背景。本文研究以“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”為手段，緊密結(jié)合行業(yè)背景，激發(fā)學(xué)生自我學(xué)習(xí)能力、最終培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程的能力。

1 傳統(tǒng)《現(xiàn)代控制原理》課程教學(xué)存在的問題

《現(xiàn)在控制原理》課程的主要內(nèi)容包括：（1）掌握動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)空間分析法和綜合法基本內(nèi)容，包括動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述、動態(tài)系統(tǒng)的定量分析（狀態(tài)方程的解）和定性分析（能控性、能觀測性、穩(wěn)定性）、動態(tài)系統(tǒng)的綜合（狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器設(shè)計）；（2）具備應(yīng)用狀態(tài)空間理論的基本方法對控制系統(tǒng)建模、分析和綜合的能力，為在工程應(yīng)用中分析、設(shè)計復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)及進(jìn)一步學(xué)習(xí)先進(jìn)控制理論打下堅實基礎(chǔ)，并了解自動控制理論的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向。課程內(nèi)容支撐的課程目標(biāo)為：①培養(yǎng)學(xué)生建立動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)空間模型以及進(jìn)行動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型變換的能力，為分析、綜合動態(tài)系統(tǒng)打下基礎(chǔ)；②培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用狀態(tài)空間理論的基本方法對控制系統(tǒng)分析和綜合的能力，為在工程應(yīng)用中分析、設(shè)計復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)及進(jìn)一步學(xué)習(xí)先進(jìn)控制理論打下堅實基礎(chǔ)；③使學(xué)生對自動控制理論的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展方向有全面的把握。

盡管上述《現(xiàn)代控制原理》課程目標(biāo)已經(jīng)強(qiáng)調(diào)“為在工程應(yīng)用中分析、設(shè)計復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)及進(jìn)一步學(xué)習(xí)先進(jìn)控制理論打下堅實基礎(chǔ)”，然而受限于學(xué)時等因素，僅僅依靠課堂教學(xué)往往較難實現(xiàn)上述目標(biāo)。教師通過課后習(xí)題以及簡單仿真實驗增強(qiáng)學(xué)生對知識點的掌握，進(jìn)而導(dǎo)致了學(xué)生在知識掌握上形成明顯的“碎片化”“機(jī)械化”“局部化”的效果。

1.1 學(xué)生動手能力差

課程內(nèi)容較為理論化，導(dǎo)致傳統(tǒng)的《現(xiàn)代控制理論》重課堂輕實踐。課程內(nèi)容過于抽象理論化，學(xué)生無法實現(xiàn)理論聯(lián)系實際；課程安排過于偏重教師課堂填鴨式教學(xué)，線下實踐學(xué)時較少，學(xué)生無法學(xué)以致用。

1.2 學(xué)生綜合系統(tǒng)開發(fā)能力差

《現(xiàn)代控制理論》課堂時間有限，教師在教學(xué)中引入行業(yè)實際生產(chǎn)案例連貫性差、碎片化，影響學(xué)生掌握知識的廣度和深度。

1.3 教學(xué)大綱缺乏復(fù)雜工程問題相關(guān)內(nèi)容

作為自動化學(xué)科最為基礎(chǔ)的專業(yè)必修課程，傳統(tǒng)《現(xiàn)代控制理論》課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)置更注重理論基礎(chǔ)，在實踐環(huán)節(jié)一般配合倒立擺等簡單simulink仿真實驗，難以達(dá)到解決復(fù)雜工程問題的實踐效果。

2 依托“虛擬現(xiàn)實”改革內(nèi)容

為解決上述問題，本文以“虛擬現(xiàn)實”為手段，致力于探索深入行業(yè)發(fā)展的第二實踐課堂，從而增強(qiáng)“教育產(chǎn)出”。控制理論課程是自動化專業(yè)及相關(guān)工科專業(yè)本科教學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課，在專業(yè)課程體系中占有重要的地位。該類課程理論性很強(qiáng)，具有一定的工程背景，可培養(yǎng)學(xué)生分析、解決工程應(yīng)用能力。但長期以來，由于理論性強(qiáng)、概念抽象，課程內(nèi)開設(shè)的實驗基本上只是采用簡單的倒立擺系統(tǒng)、電路系統(tǒng)等驗證性實驗來完成。這使得學(xué)生缺乏應(yīng)用控制技術(shù)解決復(fù)雜工程問題的能力，缺乏控制領(lǐng)域前沿科研知識，缺乏自主設(shè)計控制系統(tǒng)的能力，難以建立使用專業(yè)知識解決前沿問題的專業(yè)信心。這些使得目前的課程教學(xué)實驗已不能滿足對自動化及相關(guān)工科專業(yè)人才的培養(yǎng)要求，因此亟須引導(dǎo)學(xué)生了解并參與學(xué)科前沿課題，而復(fù)雜場景特高壓電網(wǎng)電力巡檢無人機(jī)飛行控制正是本學(xué)科的前沿科學(xué)問題之一。

特高壓電網(wǎng)建設(shè)是國家能源事業(yè)發(fā)展和保障國家能源安全的總體方略，電力巡檢則是保障電網(wǎng)輸電安全可靠運行至關(guān)重要的一環(huán)。在能源強(qiáng)國國家戰(zhàn)略的背景下，隨著高電壓等級輸電線路規(guī)模的日益增大，無人機(jī)電力巡檢具有極強(qiáng)的吸引力和挑戰(zhàn)性。除總里程數(shù)較長，我國電網(wǎng)分布具有地域廣泛、地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣等特點。復(fù)雜的地形及環(huán)境因素致使輸電線路時刻面臨不可預(yù)測外力破壞的風(fēng)險。無人機(jī)巡線是一種高效智能的巡檢方式，在電力巡檢中逐漸取代人工巡檢與有人直升機(jī)巡檢。無人機(jī)在軍民領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，在農(nóng)藥噴灑、監(jiān)視巡邏、通信中繼、電子對抗、環(huán)境評估、環(huán)境監(jiān)測、交通救援、戰(zhàn)場攻擊、對目標(biāo)模擬和預(yù)警等諸多軍事、民生領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力，已經(jīng)成為近年來各國航空領(lǐng)域的研究熱點。無人機(jī)的飛行控制技術(shù)是決定其能否在復(fù)雜巡檢環(huán)境中安全航行和準(zhǔn)確完成任務(wù)的關(guān)鍵，具體涉及現(xiàn)代控制理論、通信技術(shù)、人工智能等核心課程。本文基于虛擬現(xiàn)實仿真實驗，利用現(xiàn)代信息化技術(shù)，構(gòu)造高真實感的具有“復(fù)雜性、多變性和隨機(jī)性”的電力巡檢環(huán)境和真實的無人機(jī)模型為教學(xué)環(huán)境，建立全方位、多層次的《復(fù)雜場景電力巡檢無人機(jī)飛行控制仿真實驗》，與《現(xiàn)代控制原理》課堂理論教學(xué)形成優(yōu)勢互補(bǔ)。

在復(fù)雜環(huán)境下遠(yuǎn)距離大規(guī)模電力巡檢作業(yè)，無人機(jī)巡檢具有靈活度高、精細(xì)作業(yè)能力強(qiáng)、安全、高效、低成本等特點。以我國南方電網(wǎng)為例，全網(wǎng)架空輸電線路東西跨度2000公里，海拔跨度4300米，其中80%以上線路位于遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)、遠(yuǎn)離交通干線、人煙稀少的高山大嶺地區(qū)。無論在高山大嶺環(huán)境還是物理實驗室進(jìn)行上述基本問題的實驗，都會面臨如下困難與風(fēng)險：（1）實驗環(huán)境復(fù)雜、危險。（2）無人機(jī)操控具有一定危險性。因此，對復(fù)雜場景電力巡檢無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行基于虛擬仿真的場景再現(xiàn)和實驗過程模擬具有非常重要的教學(xué)價值和工程技術(shù)意義。

《復(fù)雜場景電力巡檢無人機(jī)飛行控制仿真實驗》以真實高山大嶺地區(qū)無人機(jī)巡檢場景為參照，基于實際工程案例與數(shù)據(jù)，采用數(shù)字化、信息化、多媒體、虛擬現(xiàn)實等先進(jìn)技術(shù)，針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)中難以開展的實驗課題，構(gòu)建大范圍復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)巡檢涉及的導(dǎo)航/航姿控制、通訊以及圖像處理等虛擬裝置，實驗?zāi)Ｐ团c教學(xué)軟件系統(tǒng)，使實驗過程能夠重現(xiàn)無人機(jī)巡檢中裝置、模型工作原理及各種物理過程，采用多種教學(xué)方法與多媒體技術(shù)融合，使得學(xué)生可通過仿真教學(xué)軟件的操作與使用，學(xué)習(xí)、理解和掌握多種飛行器結(jié)構(gòu)、工作原理；理解和掌握現(xiàn)代控制原理在無人機(jī)自主巡檢下的實際應(yīng)用；通過交互式實驗教學(xué)，學(xué)生可以自主安排和設(shè)計部分實驗環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的獨立自主的思維方式和創(chuàng)新設(shè)計能力。

在以往的實驗實踐教學(xué)中，學(xué)生在動手操作前，只有理論方面的抽象概念，基本沒有工程實踐經(jīng)驗，缺乏具體的認(rèn)知，導(dǎo)致學(xué)生進(jìn)入實訓(xùn)現(xiàn)場后存在無從下手的情況，需要依靠教師的反復(fù)講解示范，儀器設(shè)備的安全操作具有一定的危險性，很多實踐環(huán)節(jié)甚至出現(xiàn)了學(xué)生走馬觀花走過場的現(xiàn)象。引入虛擬現(xiàn)實實驗，可使理論概念與實驗實踐較好的銜接起來。

2.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)科研實踐中的必要性

“復(fù)雜場景電力巡檢無人機(jī)飛行控制實驗室”模擬無人機(jī)在大范圍復(fù)雜環(huán)境下高壓輸電線路巡檢作業(yè)，實驗環(huán)境具有高危、極端的特點，同時實驗設(shè)備成本高昂。傳統(tǒng)教學(xué)實驗室難以通過物理設(shè)備模擬實現(xiàn)，且無人機(jī)的飛行原理復(fù)雜、操控要求嚴(yán)格，學(xué)生實踐操作具有很強(qiáng)的危險性；無人機(jī)在高山大嶺中復(fù)雜的飛行狀態(tài)難以在實驗實踐中重現(xiàn)，學(xué)生感性認(rèn)識度低；同時，由于實驗環(huán)節(jié)多、實驗成本高昂等各種客觀因素，傳統(tǒng)實驗限制了學(xué)生的實踐機(jī)會，教學(xué)效果不理想。

2.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對教學(xué)內(nèi)容的改進(jìn)

“復(fù)雜場景電力巡檢無人機(jī)飛行控制”是一門綜合性很強(qiáng)的實驗，它集飛行力學(xué)、現(xiàn)代控制原理、通訊技術(shù)、模式識別等先進(jìn)技術(shù)為一體，依靠單純的講解很難令學(xué)生快速并充分理解教學(xué)內(nèi)容。在教學(xué)中運用虛擬現(xiàn)實的技術(shù)手段，讓學(xué)生能從三維角度觀察裝備構(gòu)造，聲、像、形結(jié)合，透視與剖切并用，通過觀察三維模型的運動理解裝備工作原理。實現(xiàn)從“一維”到“多維”、從被動接受到主動探索的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。將虛擬現(xiàn)實實驗作為《現(xiàn)代控制理論》等課程的補(bǔ)充，在豐富教學(xué)內(nèi)容的同時極大提高學(xué)生學(xué)習(xí)熱情與效率。

2.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生創(chuàng)新精神的激發(fā)

通過虛擬仿真實驗綜合飛行控制、任務(wù)規(guī)劃、導(dǎo)航控制、實時通訊、圖像處理等系列專業(yè)知識與技術(shù)，依托新工科對數(shù)值建模能力的培養(yǎng)，強(qiáng)化學(xué)生對復(fù)雜環(huán)境下無人機(jī)導(dǎo)航制導(dǎo)的復(fù)雜工程問題內(nèi)涵與意義的理解，學(xué)會對理論、機(jī)理、現(xiàn)象關(guān)聯(lián)性的探究，提高對不同干擾條件下、不同最優(yōu)目標(biāo)下的抗干飛行控制算法、任務(wù)規(guī)劃、通訊時延、圖像識別等問題解決的綜合能力。

圖1：復(fù)雜場景電力巡檢無人機(jī)飛行控制VR仿真平臺

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入“復(fù)雜場景電力巡檢無人機(jī)飛行控制”工程實訓(xùn)教學(xué)中，利用計算機(jī)、顯示系統(tǒng)、交互系統(tǒng)來構(gòu)建復(fù)雜巡檢虛擬環(huán)境。學(xué)生可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下對飛行器模型、通訊模塊進(jìn)行設(shè)計、拆裝、維修等操作，使學(xué)生完全沉浸于學(xué)習(xí)過程中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和熱情。采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的現(xiàn)代教學(xué)手段，將無人機(jī)巡檢中的主要干擾現(xiàn)象在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中模擬出來，讓學(xué)生“直面”故障，學(xué)習(xí)印象深刻。

2.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)促進(jìn)多學(xué)科交叉協(xié)同

復(fù)雜的生產(chǎn)實踐活動從來不是能夠依靠單一專業(yè)技術(shù)支撐。“復(fù)雜場景特高壓電網(wǎng)電力巡檢無人機(jī)飛行控制”實驗是一個復(fù)雜的系統(tǒng)性的實驗，其涉及自動化、計算機(jī)、通訊、電氣等多學(xué)科。傳統(tǒng)實驗教學(xué)受場地以及時間的限制，無法支持多學(xué)科學(xué)生交叉協(xié)作實踐。而虛擬現(xiàn)實技術(shù)突破了時間、場地、場景等各方面束縛，支持多人、多地域、多學(xué)科協(xié)同，極大促進(jìn)多學(xué)科交叉互動，提高學(xué)生團(tuán)隊協(xié)作以及解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 虛擬現(xiàn)實仿真平臺建設(shè)

建設(shè)虛擬現(xiàn)實仿真實驗平臺，完善虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)內(nèi)容，以服務(wù)于自動化、人工智能等專業(yè)，打造《現(xiàn)代控制理論》第二課堂。如圖1所示該VR創(chuàng)新實訓(xùn)實驗平臺依托虛擬現(xiàn)實支持局域網(wǎng)內(nèi)近百人、廣域網(wǎng)內(nèi)超過30人的協(xié)同教學(xué)。通過該模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模VR教學(xué)、不同校區(qū)之間的集體授課以及跨學(xué)校的專業(yè)交流與跨學(xué)校的慕課教學(xué)。教師可以將復(fù)雜、抽象、難以到達(dá)等類型教學(xué)內(nèi)容和場景在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中呈現(xiàn)，學(xué)生可佩戴VR眼鏡跟隨教師的視角觀看相應(yīng)的場景、學(xué)習(xí)相應(yīng)的知識和操作方法。這種教學(xué)模式可以增強(qiáng)課堂教學(xué)效果，提升課堂教學(xué)效率，幫助學(xué)生從具體活動或情景中概括抽象出方法、經(jīng)驗和規(guī)律，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)驗總結(jié)和遷移，幫助其“再情景化”或再實踐。

4 培養(yǎng)成效

將《復(fù)雜場景電力巡檢無人機(jī)飛行控制仿真實驗》作為《現(xiàn)代控制理論》第二課堂，學(xué)生能夠直觀形象地感受無人機(jī)巡檢的復(fù)雜工程問題內(nèi)涵與意義；可視化、互動地模擬無人機(jī)航姿控制中的復(fù)雜工程問題內(nèi)涵與意義；可視化、動態(tài)化地模擬飛行器氣動原理、數(shù)學(xué)建模與關(guān)鍵參數(shù)，學(xué)生掌握現(xiàn)代控制理論在航姿控制中的實施效果。為培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題能力打下堅實的實踐基礎(chǔ)。