淺談?dòng)锰摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助遙控飛行教學(xué)

內(nèi)蒙古包頭市昆都侖區(qū)少年宮 鄭凱飛

航?；顒?dòng)是中小學(xué)生熱愛的科技教育項(xiàng)目，是科學(xué)技術(shù)教育普及的重要組成部分，對(duì)青少年的多方面素質(zhì)培養(yǎng)和智力開發(fā)具有積極的作用。充分發(fā)揮航?；顒?dòng)的教育作用，對(duì)培養(yǎng)科技人才意義重大。中小學(xué)生航空模型課程，從簡(jiǎn)單的無動(dòng)力自由飛飛機(jī)到較高級(jí)的無線電遙控模型飛機(jī)，涉及到模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)制作、試飛調(diào)整、改進(jìn)創(chuàng)新、飛行訓(xùn)練等多方面知識(shí)技能的教學(xué)活動(dòng)；其中遙控模型飛機(jī)飛行是航?；顒?dòng)的較高級(jí)階段，也是學(xué)生非常喜歡的活動(dòng)項(xiàng)目之一。

下面著重分析了模型飛機(jī)遙控飛行訓(xùn)練實(shí)踐中存在的問題，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)模擬飛行的必要性和可行性。闡述了虛擬現(xiàn)實(shí)模擬飛行對(duì)活動(dòng)場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、師資問題的解決及其應(yīng)用展望。限于篇幅，文中涉及到的技術(shù)術(shù)語未作詳細(xì)介紹，可通過網(wǎng)絡(luò)了解。

用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)模型飛機(jī)飛行訓(xùn)練的必要性和充分性

（一）在航模飛行訓(xùn)練中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的必要性分析

考慮到模型飛機(jī)的抗風(fēng)能力、制作成本等因素，多數(shù)戶外遙控模型飛機(jī)飛行速度較快且容易損壞，通常的學(xué)校操場(chǎng)不適合初學(xué)者飛行訓(xùn)練。因此，用真模型飛機(jī)訓(xùn)練代價(jià)較大，不理想?，F(xiàn)在比較好的方法是把遙控器與電腦連接，在電腦上運(yùn)行飛行模擬器軟件，通過觀看顯示器中模型飛機(jī)的飛行狀態(tài)來練習(xí)入門。有安全低耗，機(jī)種和場(chǎng)地選擇豐富靈活，不受時(shí)空、天氣情況等環(huán)境因素的限制的優(yōu)勢(shì)；特別是當(dāng)飛機(jī)飛在少有參照物的高空，視角、視距差微小，平面視覺與實(shí)際空間視覺更接近；對(duì)操作者手的感覺及動(dòng)作技能，以及通過觀察顯示器圖像，對(duì)遠(yuǎn)處飛機(jī)飛行速度的觀察判斷、飛機(jī)實(shí)際空間方位的想象推測(cè)能力的培養(yǎng)有重要的作用。但近距離的起飛、降落階段，面對(duì)固定的電腦顯示器屏幕有限的平面視覺，相比真實(shí)遙控飛行廣闊的空間視野中用來判別空間方位的立體視覺和肢體感覺有很大的差別。人對(duì)于飛機(jī)空間方位的判斷能力也需要在實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)訓(xùn)練才能獲得；而平面顯示模擬飛行與實(shí)際飛行中大腦綜合運(yùn)用多感官對(duì)空間方位判斷能力的訓(xùn)練有較大的差距，影響了更加全面接近實(shí)際的感知與動(dòng)作訓(xùn)練與能力培養(yǎng)。三維虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡不僅給人真實(shí)的三維視、聽覺，更把人從計(jì)算機(jī)桌前解放，讓人能夠自由走動(dòng)、轉(zhuǎn)身、抬頭低頭、左右觀看，實(shí)現(xiàn)更加逼真的模擬飛行訓(xùn)練，獲得比傳統(tǒng)模擬飛行更加全面、接近實(shí)際的時(shí)空感受與能力培養(yǎng)。因此運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改進(jìn)現(xiàn)有模擬遙控飛行技術(shù)非常必要。

（二）在航模飛行訓(xùn)練中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的充分性分析

遙控飛行是遙控飛行操作者始終基本站在原地，保持面對(duì)飛機(jī)觀測(cè)飛行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)手眼配合的遙控飛行。飛機(jī)在空中的方位變化，引起人視線的方向變化。因此，在這樣一個(gè)模擬飛行系統(tǒng)中，只需要人頭部相對(duì)于地球坐標(biāo)的三維方向變化信息，以及手部的遙控操作信息，輸入電腦處理，作為計(jì)算機(jī)輸出飛機(jī)相對(duì)于地球坐標(biāo)的方位變化的虛擬三維視聽信息的依據(jù)。 這種虛擬現(xiàn)實(shí)模擬飛行技術(shù)就是在這種虛擬視聽覺輸出和傳感器信息輸入的互饋中連續(xù)循環(huán)，直到平穩(wěn)著陸或其他原因而終止模擬。雖然人在真實(shí)環(huán)境比虛擬環(huán)境能感受到更多信息，但在遙控飛行操作中以視、聽覺為主，初學(xué)者對(duì)于其他信息還無暇顧及。因此，這種遙控飛機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬飛行技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)，就基本上虛擬了真實(shí)遙控飛行的全部人體感受信息。當(dāng)然若再配備模擬風(fēng)裝置等，就能提供更全面的身體感知訓(xùn)練。不需要數(shù)據(jù)手套一類的肢體感受模擬裝置，因?yàn)?，模擬飛行用的遙控器，就是真實(shí)的遙控器。因此，一臺(tái)電腦，一付虛擬現(xiàn)實(shí)眼睛和一個(gè)有PPM信號(hào)輸出接口的遙控器；或者，像極富創(chuàng)意的“谷歌Cardboard”一樣，只用一部?jī)?nèi)置多種傳感器的智能手機(jī)配合兩個(gè)凸透鏡和硬卡紙外殼組成的頭戴式VR眼鏡，再配一個(gè)藍(lán)牙遙控器手柄。這樣一套相對(duì)精簡(jiǎn)廉價(jià)的市售設(shè)備就具備了開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬飛行器的硬件條件，再結(jié)合軟件開發(fā)就能充分虛擬真實(shí)的遙控飛行?，F(xiàn)有的XTR、FMS等較成熟的模擬遙控飛行軟件內(nèi)置了豐富的飛機(jī)模型和場(chǎng)地模型，并依據(jù)多方面的物理參數(shù)實(shí)現(xiàn)了較真實(shí)的模擬飛行，只要在此基礎(chǔ)上開發(fā)成符合雙目立體視覺的雙畫面顯示即可；或者通過改進(jìn)現(xiàn)有的三維虛擬現(xiàn)實(shí)飛行游戲，使能更真實(shí)的模擬遙控飛機(jī)的飛行。只要廣開思路設(shè)法整合各方面現(xiàn)有技術(shù)、資源，就能實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的模擬飛行訓(xùn)練。我國(guó)有大量的軟硬件技術(shù)創(chuàng)客以及虛擬現(xiàn)實(shí)游戲機(jī)廠商，完全有能力開發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的的模擬飛行項(xiàng)目。

（三）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)活動(dòng)場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、師資問題的解決及應(yīng)用展望

由于虛擬現(xiàn)實(shí)中的飛行場(chǎng)所、航模器材等都是在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建的虛擬數(shù)據(jù)模型，因此虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬性、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的可復(fù)制性使活動(dòng)場(chǎng)所，器材經(jīng)費(fèi)得以解決；雖然虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備也需較高的投入，但相比實(shí)際飛行訓(xùn)練的投入還是比較經(jīng)濟(jì)的。此外，模擬飛行軟件中提供隨意對(duì)軟件進(jìn)行單獨(dú)針對(duì)某項(xiàng)技能訓(xùn)練的特定設(shè)置，隨意更換飛機(jī)、場(chǎng)地，飛行高手的示范視頻，自己飛行的暫停、記錄與回放，這都是實(shí)際飛行都無法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)?？梢哉f，好的飛行模擬軟件不僅解決了器材、場(chǎng)地等經(jīng)費(fèi)問題，更是一個(gè)得力的助教。 具有虛實(shí)結(jié)合特性的增強(qiáng)型虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)飛行控制，通過采集并處理機(jī)載的GPS、三軸陀螺儀、加速度等傳感器數(shù)據(jù)，即時(shí)補(bǔ)充因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)而模糊不清的飛機(jī)的視覺、聽覺的虛擬信息并疊加到虛實(shí)兼顧的有透明顯示屏的AR眼鏡上，同時(shí)顯示放大了的飛機(jī)視聽信息和即時(shí)的提示和導(dǎo)航信息不僅可以進(jìn)行虛擬飛行練習(xí)，也對(duì)實(shí)際遙控飛行提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，最大限度的提高飛行的安全、降低飛行成本。若進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了結(jié)合Google地圖，GPS、方向、氣壓等多種傳感器信息以及立體視覺技術(shù)進(jìn)行三維建模，還可以實(shí)現(xiàn)結(jié)合實(shí)際場(chǎng)地的模擬飛行以及把形成的外場(chǎng)環(huán)境模型帶回室內(nèi)進(jìn)行模擬飛行訓(xùn)練?！昂闷嫣?hào)”火星探測(cè)器遠(yuǎn)距離遙控技術(shù)可以借鑒。

虛擬現(xiàn)實(shí)遙控模擬飛行技術(shù)有利于遙控飛行中大部分感受的充分體驗(yàn)，因而能更有效地實(shí)現(xiàn)教學(xué)輔助功能，使學(xué)習(xí)者可以沉浸其中進(jìn)行自由探索和自主學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，提高教學(xué)的質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬性充分解決了航模教育活動(dòng)中的場(chǎng)地、經(jīng)費(fèi)、師資問題。是極有價(jià)值和應(yīng)用前景的教育技術(shù)。