基于VR技術的無人機操控實訓

李哲倫

摘要：本文以VR技術在高職院校無人機操控實訓中的應用為研究核心，以上海民航職業技術學院航模社教學實踐經驗為基礎，對VR技術在該類實訓教學中的優勢進行了論述;對VR技術在無人機操控實訓中的教學方法進行了設計和實現，為其他院校開展同類實訓提供參考。

關鍵詞：VR技術;無人機操控實訓;仿真環境

一、無人機操控實訓現狀

無人機飛行操控實訓是無人機應用技術專業的基礎課程，該課程的訓練效果是后續專業課程如：無人機航測實訓、無人機植保實訓的必備保障。無人機操控實訓在實際訓練過程中也出現了一些問題：①受天氣影響較大：外場訓練一旦遇到大風天、雨雪天，實訓難度增大甚至無法開展;②場地受限：以我院為例，學院緊鄰浦東機場凈空區，訓練的高度和范圍均受限;③安全問題：訓練機基本為Ⅲ類或者Ⅳ類無人機，重量大、速度快，倘若初次參訓學生手生失控，會有較大安全隱患。除此之外，還有訓練強度不高、教員看管困難等其他問題。

二、VR技術在教學中的應用情況

虛擬現實（Virtual Reality-VR）技術，就是通過計算機技術產生電子信號，將其與各種輸出設備結合，創建和實現虛擬世界體驗的仿真技術，生成出模擬環境，并使用戶沉浸其中。VR技術是計算機仿真技術的一種新形式，跟傳統的仿真技術相比，VR技術的沉浸感更強烈，仿真效果更真實。在國際上，該技術不僅廣泛應用在影視、游戲等娛樂領域，更被運用到制造、教育、文化、健康、商貿等各個行業，成為人們工作中必不可少的生產力。在教育行業，已有不少學校開始嘗試將VR技術應用在航空機電設備維修實訓、汽車發動機拆裝實訓等課程中。

三、VR技術在無人機操控實訓中的教學設計

本文以學院航模社為樣本，將二十名社員分為A、B兩組，每組選取一名組長及三名助手開展無人機操控訓練，A組采用VR模式，B組采用傳統模式作為對照組。

3.1安全教育與應急處置

實訓教學中，安全永遠是第一位的。VR無人機操控實訓作為教學上的探索，更應該把安全教育融入到課程中去。每天、每節實訓都將通過VR短片向同學們講解安全注意事項和應急處置方法，以及相關警示案例。

3.2實訓任務布置

第一組全程通過VR授課形式進行訓練，第二組以傳統實訓授課形式進行訓練，實訓結束后采用相同的標準進行考核，比較兩種模式下學生技能掌握的情況。

3.3實訓過程

實訓中嚴格按照授課計劃開展教學;學生嚴格按照教師要求進行訓練，遵循循序漸進，先易后難的原則依次訓練，嚴禁違規操作[1]。

3.4課后檢查

實訓結束后，按照民航工作標準對實訓設備與器材進行檢查;每組由組長負責，分工開展整理、收納，并對實訓場地按照“6S”標準進行清理。

3.5教師考核與小組對比分析

實訓結束后，采用相同的考評標準進行考核，評判實訓效果并分析其異同。

四、VR仿真無人機操控實訓教學的實現

4.1VR無人機操控環境的實現

本文采用Pacelab WEAVR軟件環境，搭配HP圖形工作站及Oculus Quest2組成的硬件系統來實現VR教學。VR無人機操控實訓室包括以下三個主要組成部分：

①VR虛擬現實教室：該教室配備沉浸式的以及非沉浸式的虛擬培訓設備，可供學生進行虛

擬訓練;

②Pacelab WEAVR實驗室：使用Pacelab WEAVR編輯器進行虛擬培訓內容創建的實驗室;

③Pacelab WEAVR服務器：是一個基于Web的模塊，用于收集和分發使用Pacelab WEAVR軟件創建的VR內容，并且支持多人協作;允許更多方用戶共享相同的視圖（沉浸式）并交換信息。

教師在STEAM平臺上學習Unity 3D仿真環境的搭建，以及WYSWYG制作工具使用，基于軟件提供的向導和庫，創建由虛擬和混合現實增強的程序內容。

4.2VR無人機操控訓練方案

教學對象為無人機操控初學者，筆者參考《無線電遙控模型飛機戴氏教學法——基礎飛行訓練》來編輯訓練項目，依次為：（1）地面教學（2）飛行教學（3）起飛程序（4）飛機的調校（5）著陸準備（6）著陸組織（7）著陸（8）單飛。其中的主體為飛行教學，根據多旋翼無人機的特點，細化為八個步驟：

（1）定高移動訓練;（2）方向控制訓練;（3）對尾懸停訓練;（4）八方位懸停訓練;（5）360°自旋懸停訓練;（6）矩形航線訓練;（7）梅花航線訓練;（8）勻速水平八字航線訓練

以上飛行訓練可通過限制每個動作的時間和精確度來提高練習的強度與難度。在完成前述練習后，結合前進、后退、向左平移、向右平移、上升、下降及旋轉共七種基本操作，進行兩兩隨機組合，產生諸如前進上升、平移上升、螺旋下降等多種飛行組合[2]，開展進階訓練，保證練習的延續性。

五、VR技術應用在無人機操控實訓中的效果分析

相對于傳統實訓，VR仿真訓練的手感和體驗仍有差距，但VR技術的獨特優勢確保了惡劣天氣下的持續訓練，并且可以通過增加工位等方法提高效率;在師生比不變的情況下，大幅提高單位學生的訓練時間。

在實驗過程中，也發現了VR實訓教學的一些問題：

（1）教師控場能力[3]

VR技術的沉浸感能夠有效提升實訓體驗，但容易讓學生沉迷其中，這對教師的控場能力提出了更高的要求。教師需要在虛擬仿真教學中加入溝通與交流環節，隨時接收學生的反饋，適時通過軟件的第三視角功能查看學生的練習狀況及進度，及時指導與提示，強化對仿真實訓過程的把控，確保無人機操控實訓的效果與質量。

（2）正確認識虛擬與現實的關系

VR技術能讓學生身臨其境地感受訓練場地、項目，并且師生可以實時交互，但虛擬與現實終究還是有差異的。VR技術只是一種輔助教學的手段，實訓效果的決定性因素仍是教師的教學方法以及學生的訓練強度。

（3）健康監測

長時間的VR訓練不可避免地將對眼睛造成壓力，因此VR仿真實訓在設計和實施的過程中，一定要注意虛實結合，科學合理地分配時間，穿插理論指導和演示，確保學生的身心健康。

六、結語

VR作為一個新興技術，已被運用到國民經濟的諸多領域，對于教育行業，它的使用和推廣也是必然。基于VR技術的無人機操控實訓不僅提高實訓教學效率，讓實訓教學不再受氣象和場地等因素的限制;而且憑借其低風險和沉浸感強兩大獨特優勢，較好地彌補了傳統實訓的一些不足。

參考文獻：

[1]萬飛 基于 VR 虛擬模擬教學在高職院校發動機拆裝實訓教學應用中的研究[J].時代汽車，2022，（02）：64-65.

[2]樸清柔 無人機航拍實訓教學基礎飛行練習手法研究[J].電子元器件與信息技術，2021，5（10）：146-147.

[3]尚金龍 VR技術在航空機電設備維修實訓中的應用研究[J].內燃機與配件，2022，（01）：238-240.