《基于VR技术的无人机飞行仿真系统在教学中的应用研究》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

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基于VR技术的无人机飞行仿真系统在教学中的应用研究

范文

徐鉴民刘双童姜春华徐建国王天伟

摘要：针对无人机等相关教学课程，无人机飞行实操教学环节中存在易受场地、空域、天气等因素的影响，不仅无法保证教学任务质量，而且学生个人操作不熟练等因素，易导致无人机的掉落、碰撞等损坏问题。基于VR技术开发了无人机飞行仿真和虚拟训练系统，提高了无人机实操教学的质量，减少了实践教学中无人机损坏的频率，并体现了无人机教学中“以虚为主，虚实结合”教学理念。

关键词：无人机;VR技术;飞行仿真;虚拟训练系统

中图分类号：P231? ? ? ? 文献标识码：A

文章编号：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

無人机因其具有高效快速、作业成本低、机动灵活、生产周期短、适用范围广等特点，广泛应用于建筑（三维建模、施工监测、BIM）、交通（铁路巡检、应急救援、事故现场勘查）、农业（植保、巡检）、应急（火灾应急、疫情应急、地质灾害应急、救援）、电力、环保、物流、水利等国家重大工程建设、资源开发、灾害应急处理等方面，尤其是在土地利用动态监测、土地资源调查、基础测绘、智慧城市建设、应急救灾测绘数据获取等方面具有广阔前景[1]。

在无人机航空测绘技术应用市场的需求推动下，无人机航空测绘技术成为工程测量、测绘工程类专业核心课的教学内容。但由于无人机价格昂贵、易损坏，大多数院校无人机数量少、无人机外业操作复杂，操作不当具有一定的危险性。且无人机航空测绘技术专业课程涵盖知识点较多、部分内容通过纸面教学学生难以理解，掌握起来较为困难;在传统无人机航空测绘教学中，无人机外业采集实验不易开设，使之成为教学中的盲点和难点区域，无人机虚拟仿真技术的出现为解决此问题提供了很好的方法。

2 VR技术

2.1 VR技术概念

虚拟仿真（VR，即 Virtual Reality）技术是二十世纪末兴起的一门新的综合性科学信息技术，它是计算机图形学、计算机技术、多媒体技术、信息技术、仿真技术、计算机视觉、软件工程、语音识别与合成技术、传感与测量技术及人工智能等多种高新技术集成的结晶[2]。其具有交互性（Interaction）、构想性（Imagination）和沉浸性（Immersion）的特点，能够使介入者沉浸在所构造的场景之中，以自然的方式与计算机产生的环境进行交互操作，形成具有交互效能多维化的信息环境[3]。

2.2 VR技术在教学中的优势

2.2.1 创新了教学培训情境

虚拟现实技术能够应用计算机、软件及交互外设等构建虚拟的教学所需环境，使学生能如同在教学现场一样与荧屏上出现的实习过程进行自由的交流。基于互联网的虚拟现实技术为学习者构造出开放性的教学环境，提供了全新的学习场景[4]。

2.2.2 创新了教学培训手段（理实一体化）

教师可通过虚拟现实、互联网、多媒体等技术的综合应用，在教室中展现出传统教学模式中无法实现的部分教学内容。虚拟现实技术可以将学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟及虚物实化[5]，如图1所示。学生戴上VR眼镜，通过虚拟系统可直观地观察到自己假设场景所产生的效果或结果。虚拟现实系统能够进行实物虚化，虚拟出各种场景创建虚拟课堂，使学习者能够有沉浸式的学习体验。还可以通过小组或团队的形式，组织学生进行成员间的成果共享，开展协作式教学。在虚拟的课堂教学氛围中，学生可以与老师一起讨论交流，开展启发式教学。运用虚拟现实技术，还可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，从视觉、听觉、触觉等方面获取外界的反应。通过学生的自我组织，制定、执行课程学习计划，并进行自我效果评价，开展个性化式学习[6]。

2.2.3? 变革了传统实训方式

虚拟现实技术在教学中突破了传统实训室的限制，能够使每一位学习者根据自己的学习特点，通过计算机，在方便的时间里自由地选择适合自己的学习内容，包括适合自己的学习方式和学习速度。这种探索性的学习模拟训练方式有利于激发学生的创造性思维，使学生能够在具体的情境中通过主动地探索而获得知识，从而提高学生的学习动力。运用虚拟现实技术构建的模拟实训环境大大增加了实训的内容和时间，减少了因实际实训过程中产生的耗材及实训环节中的危险性。

2.2.4 丰富教学培训内容

虚拟现实技术能够丰富教学内容，将实训、实验等技能训练在课堂中进行。虚拟的实验实训系统没有任何危险，学生可以自行利用计算机多媒体技术制作各种仿真课件，创建所需要的虚拟实验情景进行模拟实验。同时应用虚拟现实技术还能很好地演示一些抽象的、复杂的、不宜直接观察的实验实训现象，全方位、多角度地展示出教学内容，从而丰富课堂的教学内容。并且学生可以反复练习，直至完全掌握操作技能为止[7]。

2.2.5 节约有限的培训成本

虚拟现实技术可以虚构各种实训环境、实验设备以及实验操作过程，能够使大多数实践课程在虚拟环境中进行，大多数的实践技能能够在虚拟环境中进行模拟训练，从而解决教学中因实验场地、实验设备、天气等方面的原因而无法进行实验，并且虚拟训练又可以避免实验实训设备的损坏、训练材料消耗等问题，从而有效节约教育成本。

3? 无人机飞行仿真和虚拟训练系统

将虚拟仿真技术与三维激光扫描技术相结合，利用Python、Java等语言开发，在系统中加入无人机课件、操作视频、三维动画等资料，利用三维建模技术建立固定翼无人机及地面接收设备模型、多旋翼无人机各主要零部件模型，虚拟仿真两者的飞行功能[8]。将理论与实践（虚、实）结合，体现出一种让人身临其境的教学方式，让学生利用一台可以上网的电脑就可以体验无人机模拟仿真飞行操作、无人机航测影像获取及后续数据处理过程。并可不受空间、时间等因素的限制，学生可以反复练习无人机航空测绘各环节的操作步骤。极大地节省教学经费、教学资源和教学时间。

无人机飞行仿真和虚拟训练系统如图二所示，主要包括：三维飞行场景仿真、无人机仿真、地面站仿真、训练和评估系统四大模块。三维飞行场景仿真主要包括声响系统和视景系统，通过声响系统以及视景系统来模拟无人机飞行时所处的场景以及飞行时飞机螺旋桨旋转产生的声音，飞机撞地等声响，给体验者呈现以最感官的视景;无人机仿真模块包括控制方式操作系统仿真和运动学仿真，通过运动学仿真的方法模拟无人机飞行时的位置、速度、加速度以及其他飞行时的运动状态。控制方式操作仿真主要包括无人机飞行时操控仿真，如起飞、悬停、上升下降等操作方式，给人以在真实场景操控无人机飞行的感觉;地面站仿真包括控制台、导航台、传输系统。主要通过仿真无线通信设备，建立地面站与无人机的通信链路，获取无人机的遥测信息，将地面站遥控指令进行上传。实现通信参数选择，开启、关闭串口的功能。接收无人机下传的数据;训练和评估系统主要包括学员模块、教学模块、评估考核三大模块。学生可通过学员模块自行学习并巩固训练自身薄弱知识环节。教师模块由教师负责对无人机的理论以及实践操作环节进行教学和训练。评估考核模块是为了确定学生的学习效果，便于教师更好地了解学生的学习情况，该模块主要从仪器参数选择确定、理论知识学习以及操作掌握情况三个方面来对学生的学习情况进行考核与评价。

1）仪器参数选取评分

地面站参数的设置将飞行的成败和飞行效果，系统建设中加入这些内容的设计。比如在无人机航线设计中航高的设置、旁向重叠度和航向重叠度参数设置等都影响着影像成果的精度，所以系统增设了学员对仪器参数设置的合理程度是否正确给出相应的评分。

2）操作环节评分

学生进行在线实践操作时，通常由于理论知识学习不够深入或不专注，完成实验要占用很多时间，不利于学生实验技能的提升。因此，该系统对学生完成实验的时间与无人机飞行操作步骤的正确性进行了记录考核，并最终得到无人机飞行环节操作成绩。

3）理论知识环节评分

该系统设置了无人机航空测绘的各个环节的视频、课件、动画等各种形式的知识资料和习题集等形式的知识考核内容。学生可以通过这些资料学习到无人机概念和空域管理规定、倾斜摄影測量的定义、无人机航空测绘中各环节的基本步骤和注意事项等，通过在线完成习题集测试来检核学习效果，该系统会自动记录学生完成习题集的情况，以便于教师了解学生的学习情况。学生可以通过对错题进行强加训练以此来巩固学习效果。

4 结束语

随着测绘科学技术的发展，无人机航空测绘技术已成为测绘类专业教学的重点内容。但是由于无人机仪器的贵重以及空域的申请较为困难，无人机飞行现场训练飞行存在一定的难度，大多数院校测绘相关专业的无人机飞行外业训练较少，VR技术提供了虚拟教学的产生，虚拟教学是在具有良好的交互性、广域性、开放性、实时性的虚拟学习环境中进行的教学活动。学习者完全不受地域、时间等的限制就可以进入虚拟的学习环境进行训练学习。无人机航空测绘仿真能较好弥补了这一实验空缺。

虚拟的实验环境、实验对象和高度仿真的无人机模型，提高了学生在各种真实环境中的实训效率，有利于学生直观形象地理解抽象原理和知识、极大丰富拓展了无人机飞行和传统测绘实验实践内容和实训方式。

后续的教学过程中可以利用VR技术开展恶劣危险环境中不能实现的实践教学环节场景以及昂贵仪器的操作仿真等的研发，实现教学中“以虚为主，虚实结合”的教学理念与方法。

参考文献：

[1] 王永全，李清泉，汪驰升，等.基于系留无人机的应急测绘技术应用[J].国土资源遥感，2020，32（1）：1-6.

[2] 齐庆会.虚拟仿真技术在测绘工程学科教学中应用研究[J].测绘与空间地理信息，2020，43（6）：40-43.

[3] 汪云甲，杨敏，郭广礼，等.矿山测量虚拟仿真实验教学系统构建及应用[J].测绘通报，2016（7）：129-132.

[4] 武春沅.现代信息技术在高校实践类课程教学中的应用与研究[J].计算机产品与流通，2020（10）：22.

[5] 拜亚萌，张宏.“理实一体化”教学模式下VR情境化学习策略研究[J].教育现代化，2019，6（55）：270-272.

[6] 拜靳，纪军，李雪琴等.虚拟仿真技术在实训教学中的应用研究[J].电脑知识与技术，2020，16（23）：141-142+148.

[7] 赖晶亮，王康.虚拟现实技术在职业教育教学中的应用研究——基于建构主义的视角[J].广东轻工职业技术学院学报，2020，19（2）：44-49.

[8] 张雄，叶榛，朱纪洪等.基于虚拟现实的无人驾驶飞机仿真训练系统[J].系统仿真学报，2002，14（8）：1022-1025.

【通联编辑：王力】

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