农用无人机虚拟仿真项目设计与开发
张伟 王玲 王振锋 李世欣
摘? 要 无人机和虚拟现实技术是信息技术和人工智能发展的最新成果，利用虚拟现实技术来实现无人机实训是必要的和可行的。探讨无人机虚拟仿真实训教学的理论基础，结合无人机实操训练特点，详细介绍系统功能模块和优势特点以及实际教学流程，为开展无人机实训教学提供了较好的理论和技术支撑。
关键词 虚拟仿真;人工智能;农用无人机;实训系统
中图分类号：TP391.9? ? 文献标识码：B
文章编号：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
隨着社会、科技的进步，无人机的使用渗透进社会各行各业。低空无人机属于新兴技术、高新前沿科技产业，目前已被成功应用于影视航拍、测绘航测、高压线巡查、远程监控、救灾救援、农药喷洒、商业表演等领域，越来越多的行业正希望用无人机取代传统的人工作业方式。
2 开展农用无人机虚拟仿真实训的必要性和可行性
国家政策层面支持无人机产业和技能教育发展? 国家工业和信息化部提出在2018—2020年重点推动人工智能和实体经济深度融合，推进人工智能技术产业化、集成应用，并且点名重点培育无人机等八大类人工智能产品。《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》《教育信息化十年发展规划（2011—2020年）》《2018年教育信息化工作要点》等多份文件中指出教育信息化改革将是未来高校/职业院校专业教学与创新发展的新方向[1]。而虚拟现实技术与传统授课内容结合，则是教育信息化改革的重要组成部分。
无人机广阔的市场前景和市场需求迫切需要培养无人机技能人才? 据相关部门介绍，新兴的无人机技术领域将创造10万个工作岗位，并将于2025年产生820亿美元的经济效益[2]。伴随着无人机在民用领域的迅猛发展、不断升温，相关人才输出成为各大高校必然要涉及的领域，国内外各大高校纷纷开始设立无人机相关课程，无人机专业教学模式也引起诸多专家学者的重视。
无人机技能实训问题亟待解决
1）无人机植保正改变我国农业作业环境，能在有限的时间内快速完成作业，以免错过任何植保作业时间。然而在这一新兴领域，能够熟练操控无人机进行植保作业的专业人才寥寥无几[3]。不熟练的植保，可能会导致施药没有喷洒到位，病虫害发作危害作物;重复喷洒，造成原材料浪费，更是留下农药残留和土地污染的隐患。
2）无人机高昂的价格和维护成本，使得学校开展普遍性实训教学成为一种奢望。
3）农用无人机使用教学，在常规教学中无法控制实训地点以及实训环境，因此需要引进虚拟现实技术，尽可能模拟各种实训场景以及环境，从而达成实训教学效果。
4）在实践过程中因操控失误导致的损坏和丢失问题时有发生，大大增加了设备成本投入;而改为通过电脑进行无人机操控飞行训练，枯燥单调，失去该课程设置的意义。
虚拟现实技术和无人机技能实训相结合? 虚拟现实技术辅助相关专业教学，能够使学生完全沉浸在模拟真实1：1建模场景之中，直观了解相关部件组成以及部件工作原理等内容，帮助学生理解与掌握相关知识。同时通过有趣的互动内容以及人机交互，可以极大地提高学生的学习兴趣、学习效率，提升学习成绩，进而提升整体教学效率[4]。利用VR空间信息技术展示与交互的教学软件，利用计算图形技术创建一个三维视觉效果的虚拟场景，不受无人机类型、外界气象地理环境、电磁波等因素的干扰和影响，针对学生操控无人机进行模拟训练，达到培养学生兴趣、提高无人机操控能力的目的[5-6]。
3 无人机虚拟仿真实训系统及其优势特点
无人机虚拟仿真实训系统? 无人机虚拟仿真实训系统是将先进的无人机技术和前沿的虚拟现实技术进行有机结合，通过动捕系统捕捉无人机航线，无线传输至虚拟现实平台，在真实场景下进行无人机植保仿真，直观感受无人机参数设置导致的不同植保结果，根据观看到的植保结果，反复修正无人机飞行参数及飞行线路方式，最终找到最优的航线及参数，让学生在教室中体验在旷野里的飞行感觉，反复实验，掌握飞行技术，让飞行梦变得更加简单和触手可及，展现了虚拟现实在教育领域的无限可能性[7-8]。
无人机虚拟仿真实训系统是一种具备高度沉浸感和逼真度的飞行虚拟仿真系统。要完成无人机系統的作业任务，仅掌握无人机驾驶技能是不够的，还必须掌握任务载荷的使用技能。无人机虚拟仿真实训系统具备特定情景的教学和训练飞行设置，可对飞行记录进行观察和回放;具有良好的功能扩展性，可增加无人机真实巡视主要工作项目为虚拟仿真实训内容，按照专业要求设置相应考评系统，进行实训效果考评和任务完成效果查看;具备多机联飞、定制场景等扩展能力。
无人机仿真软件优势特点
1）基础理论知识。系统的知识点讲解，包含背景介绍、理论基础、实验操作过程中的注意事项等，使学生首先对无人机有一个整体性认识，加深对所学内容的理解。
2）操作技巧讲解。在实验过程中，对关键的操作步骤配有文字介绍，全面介绍飞行器的操控方式，并加以语音说明，增强软件的趣味性，利于学生快速掌握操作重点及难点。
3）双屏显示，直观性教学演示。软件界面双屏显示，同时展示飞行器及遥控器画面，可以直观地看到遥控器对飞行器的操控效果。Pad界面实时展示无人机云台相机的拍摄画面，并可放大展示飞行软件APP的操作过程，设定航线，全自动控制飞行过程。
4）两种学习模式。软件分为练习模式和操作模式：演示模式下可以正确模拟实验每一步的操作，学生只需点击步骤进行每一步操作演示;操作模式下，通过操作步骤指引，学生进行相应操作，完成对整个实验的练习，并可对操作过程进行评价。
4 农用无人机虚拟仿真系统模块
软件以市场上有代表性的农用无人机为参考蓝本进行实物建模制作，真实再现农用无人机的结构、运行动画、原理。该型无人飞机由飞行平台、导航飞控、喷洒机构三部分组成，可以通过地面遥控或导航飞行喷洒药剂、粉剂、种子等[9]。利用农用无人机虚拟仿真实训系统学习，学生可掌握结构原理及操控方法，达到行业操作水平以及认证考试水平。农用无人机虚拟仿真实训系统，要求能达到河南省级与国家级示范性虚拟仿真教学项目建设水平。
农用无人机结构认知模块? 真实再现农用无人机的结构，严格按各零部件尺寸1：1进行三维实体建模;可将无人机各零部件逐一拆解，包括机体、碳纤维臂、螺旋桨、喷洒结构单元，以及无刷电机、飞行控制器、电子调速器、GPS、图传、数传、雷达、电源、喷洒控制等电子模块，要求软件操作中有手动拆解、自动拆解、爆炸图三种拆解模式;各零部件可逐一抓取、观察及学习，要求抓取每一个部件时显示该部件的名称;零件完全拆解后，可按顺序逐一组装，要求软件操作中有手动安装以及自动安装两种模式。
农用无人机飞行实训模块
1）农用无人机机体快装快拆、飞行准备以及喷洒结构安装和调试，包括农药/肥料在无人机喷洒中的调试方式，要求有详细的步骤提示以及相应的工具使用。
2）农用无人机植保作业基本要领，应包含飞行模式讲解、遥控操器作、GPS导航下路径规划飞行、AB点遥控飞行、图传与数传信息讲解、调参软件以及APP讲解、无人机参数设置等内容。
3）讲解药液配比和植保基本知识，无人机飞仿的特点及安全注意事项，根据喷洒物和作物对象以及作业场景不同，制定合理的植保策略。
4）农用无人机多环境飞行实训，要求建立最少三个不同环境，演示并训练农用无人机飞行情况实时查看，遥控操作，定点、定高巡航，导航自主飞行喷洒等操作，演示并训练AB点喷洒模式，自动避障、仿地飞行、自动返航、断点续航、无药报警、遥控接管等模式，喷洒效果评价等。在不同环境下要求使用不同的飞行策略。
5）农用无人机飞行实训模块一：要求有真实操控器连接电脑以及虚拟遥控器仿真操作，可以让操作者在虚拟的植保飞防作业环境中对遥控器的摇杆、按钮、拨杆、拨轮等预置功能进行操作训练。
6）农用无人机飞行实训模块二：要求无人机能够实现仿地飞行、变量喷洒、自动避障以及电子围栏功能，真实模拟当前农用无人机先进技术功能。
7）交互性答题功能模块，根据农用无人机知识，设置专业知识考核题，通过答题激励机制，促进学生兴趣培养。
5 农用无人机仿真系统的优势特点。
软件三维模拟了农用无人机及农田场景，介绍了无人机的结构，在实际场景中模拟无人机的操作方法并将其应用于农业生产过程中。通过学习，学生加深对农用无人机的了解，掌握农用无人机的操作方法及使用规程，为实际操作打下基础。农用无人机仿真软件具有以下优势特点。
3D仿真场景? 通过搭建三维虚拟仿真场景，建立一个逼真的3D环境，学生以第一人称在农田场景中漫游并进行灵活的交互式操作。
无人机结构展示? 以真实农用无人机为依据，制作飞行器及遥控器模型，学生可在场景中360°全方位观察飞机，同时配有无人机结构视频，对无人机及遥控器的各部分构造及名称逐一展示，使学生迅速掌握飞机结构。
动画辅助讲解? 对于理论性的知识点，通过Flash动画进行说明讲解，以动画和文字相结合的形式，把枯燥的知识变为趣味性的动画展示，更利于学生理解和掌握。
粒子特效模拟? 在实验过程中，运用粒子特效表现规划飞行路线、飞机喷洒农药等过程，增强软件的真实感，将学生带入情境中，增强学习的趣味性。
过程式学习模式? 软件以玉米为例，模拟实验中用到的器材和设备，并通过模拟农用无人机播种与防控病虫草害过程，展现从播种到喷洒农药直至最后玉米生长成熟的全过程，保持模拟过程的完整性及系统性。可用于涉农相关专业学生对于应用农用无人机播种与防控病虫草害工作流程的认知学习，以及无人机专业学生对农用无人机的操控学习。
6 结语
无人机仿真实训系统开辟了无人机作业专业技能实训工作流程模拟教学新模式，为操作人员带来全新的学习体验;打破了传统视频教学的局限性，以动手操控仿真系统代替原来的只能观看不能操控的视频教学，对探索全新的无人机技能实训模式具有深远意义。相信随着无人机仿真实训系统的推广和普遍使用，将对推动无人机专业发展、提升无人机技术相关专业建设水平和人才培养质量发挥重要作用。
参考文献
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