水下導(dǎo)航技術(shù)及應(yīng)用的虛擬仿真教學(xué)模式探究

黃浩乾　李林敏

摘要：為了幫助學(xué)生對(duì)水下導(dǎo)航技術(shù)的理解，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用理論指導(dǎo)實(shí)踐的能力，本文分析了虛擬仿真教學(xué)方法的原理及實(shí)施。綜合自動(dòng)化、數(shù)據(jù)圖像和視頻、計(jì)算機(jī)及其軟件等技術(shù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件與硬件設(shè)備等信息化、多媒體技術(shù)手段，構(gòu)建具有高度仿真度的數(shù)據(jù)仿真。結(jié)合實(shí)際對(duì)象的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過程，達(dá)到更好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)習(xí)效果的目的。

關(guān)鍵詞：水下導(dǎo)航技術(shù)；虛擬仿真；教學(xué)模式

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）30-0190-02

水下機(jī)器人是一種智能化、自主航行、可根據(jù)任務(wù)使命要求進(jìn)行模塊優(yōu)化組合，并能實(shí)現(xiàn)多種功能的集成系統(tǒng)。隨著各國(guó)海洋戰(zhàn)略的發(fā)展，水下機(jī)器人無論在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都得到了越來越廣泛的應(yīng)用。導(dǎo)航系統(tǒng)在水下機(jī)器人領(lǐng)域中起到了至關(guān)重要的作用。由于水下無法接受全球定位系統(tǒng)等電磁波信號(hào)，一般只能依靠慣性導(dǎo)航輔以聲納、洋流數(shù)據(jù)等技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可分為兩類：平臺(tái)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。其中，前者具有物理平臺(tái)，慣性測(cè)量元件安裝在物理平臺(tái)的臺(tái)體上，其體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但干擾較少，計(jì)算量小。而后者的元件直接安裝在載體上，用數(shù)字平臺(tái)取代物理平臺(tái)，計(jì)算量很大、受外界環(huán)境影響較大，但其體積小、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)便利，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)不斷體現(xiàn)，并被廣泛使用。

一、虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)的引入

實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)是本科生技能培養(yǎng)和專業(yè)知識(shí)獲取必不可少的部分。但在學(xué)生理論知識(shí)學(xué)習(xí)和實(shí)踐能力培養(yǎng)過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)在真實(shí)環(huán)境下難以重復(fù)、可觀察、成本較高、實(shí)施難度較大的問題[1]。要使學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)與理論有切身真實(shí)的體驗(yàn)和感性認(rèn)識(shí)，利用虛擬仿真技術(shù)是很有必要的，借助多媒體、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件技術(shù)，精確仿真模擬真實(shí)的作業(yè)任務(wù)和物理環(huán)境。使得學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境難以再現(xiàn)的實(shí)踐和認(rèn)知過程，從而提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的深入理解和綜合運(yùn)用能力[2]。在國(guó)外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)最早起源于工科類院校基礎(chǔ)課程教學(xué)，如美國(guó)University of Houston的虛擬物理實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)University of North Carolina外科手術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)室、Massachusetts Institute of Technology的微電子在線實(shí)驗(yàn)室、George Mason University的動(dòng)態(tài)流體虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等[3，4]。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于其精準(zhǔn)性、直觀性、生動(dòng)性、安全性、可操作性強(qiáng)以及成本較低，廣泛適用于各種專業(yè)的教學(xué)以及能力提高中[5]。河海大學(xué)作為以水利為特色，工科為主，多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的教育部直屬全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，一直以來把學(xué)生專業(yè)理論基礎(chǔ)的實(shí)踐能力培養(yǎng)作為本科教學(xué)的重點(diǎn)理念，建有國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心3個(gè)，國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心1個(gè)，自動(dòng)化類專業(yè)在全校多個(gè)本科專業(yè)中占有重要地位。本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是為自動(dòng)化專業(yè)本科《自動(dòng)控制原理》的教學(xué)設(shè)計(jì)和制定的，滿足相關(guān)教學(xué)大綱的內(nèi)容要求。通過構(gòu)建具高度仿真能力的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)過程，學(xué)生可以在多媒體環(huán)境中通過數(shù)據(jù)視頻/圖像和人機(jī)互動(dòng)操作中開展有關(guān)控制和自主運(yùn)動(dòng)載體（如無人機(jī)、無人駕駛，水下機(jī)器人等）的系統(tǒng)控制與自主導(dǎo)航關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生借助情景化、視覺化的教學(xué)手段模擬性地參與到實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，親身體會(huì)和感受自己動(dòng)手搭建的如水下導(dǎo)航平臺(tái)的運(yùn)作過程，實(shí)現(xiàn)生動(dòng)、直觀、互動(dòng)化地學(xué)習(xí)和理解控制理論和導(dǎo)航工程技術(shù)的意義。

二、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法與原理

綜合自動(dòng)化、數(shù)據(jù)圖像和視頻、計(jì)算機(jī)及其軟件等技術(shù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件與硬件設(shè)備等信息化、多媒體技術(shù)手段，構(gòu)建具有高度仿真度的數(shù)據(jù)仿真結(jié)合實(shí)際對(duì)象的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過程，虛擬現(xiàn)實(shí)意義上表現(xiàn)諸如機(jī)器人協(xié)同控制、水下機(jī)器人導(dǎo)航等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。滿足學(xué)生完成參與型的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求與相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的達(dá)成。該項(xiàng)目系統(tǒng)將以DVS3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件為平臺(tái)支撐，建立全三維水下環(huán)境動(dòng)態(tài)平臺(tái)，并將水下環(huán)境數(shù)據(jù)（如：溫度、深度、流速等）映射到全三維水下場(chǎng)景中。同時(shí)建立水下機(jī)器人動(dòng)態(tài)滑翔模型并顯示其運(yùn)動(dòng)模型參數(shù)。搭載在水下機(jī)器人上的導(dǎo)航與定位傳感器采集并解算導(dǎo)航定位信息，從而建立了水下機(jī)器人水下導(dǎo)航與定位信息獲取的仿真系統(tǒng)。通過該仿真系統(tǒng)，可直觀看出海洋環(huán)境參數(shù)變化情況、機(jī)器人在水下運(yùn)行狀態(tài)以及導(dǎo)航信息準(zhǔn)確獲取方法。通過動(dòng)畫、聲音以及特有的三維模擬方式，為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)真實(shí)的環(huán)境，把水下機(jī)器人在海洋中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和機(jī)器人的導(dǎo)航制導(dǎo)與控制過程逼真地呈現(xiàn)出來。虛擬現(xiàn)實(shí)水下導(dǎo)航與控制虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過對(duì)海洋環(huán)境參數(shù)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、導(dǎo)航信息獲取以及制導(dǎo)與控制實(shí)施進(jìn)行逼真的3D可視化虛擬展示。通過人機(jī)互動(dòng)形式，與虛擬環(huán)境中的船體模型進(jìn)行交互操作，完成機(jī)器人本體姿態(tài)預(yù)調(diào)節(jié)、水下緊急情況拋載處理等。同時(shí)，該系統(tǒng)還提供導(dǎo)航信息初始參數(shù)設(shè)置，通過模擬真實(shí)的導(dǎo)航信息初始化，幫助學(xué)生了解水下機(jī)器人一航次中導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的過程。

三、虛擬仿真教學(xué)模式的實(shí)施

進(jìn)行海底地形輔助導(dǎo)航系統(tǒng)仿真教學(xué)是要完成如下幾部分工作：將系統(tǒng)分成若干功能模塊，各功能模塊分別代表不同的子系統(tǒng)或傳感器；建立各子系統(tǒng)及傳感器的數(shù)學(xué)模型或其誤差的數(shù)學(xué)模型；設(shè)計(jì)匹配算法；確定各模塊間的信息流；將各功能模塊的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)編碼。海底地形輔助導(dǎo)航仿真教學(xué)模型由水下機(jī)器人模塊、導(dǎo)航模塊、測(cè)深測(cè)潛儀模塊、數(shù)字海洋圖形模塊、匹配模塊和性能評(píng)估模塊組成。建立一個(gè)準(zhǔn)確、完整的水下機(jī)器人空間運(yùn)動(dòng)仿真模型是進(jìn)行仿真的基礎(chǔ)。水下機(jī)器人是一種在水下運(yùn)動(dòng)的剛體，具有剛體空間運(yùn)動(dòng)方程的一般形式，它受到的外力和外力矩包括：慣性類流體作用、粘性類流體阻尼作用、重力和浮力作用、推力和舵力。虛擬仿真系統(tǒng)能實(shí)時(shí)接收動(dòng)態(tài)輸入，并產(chǎn)生實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)輸出，實(shí)時(shí)性對(duì)于半實(shí)物仿真系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度具有十分重要的意義。虛擬仿真系統(tǒng)中，學(xué)生可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運(yùn)動(dòng)感覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。理想的虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)該具有能夠給人所有感知信息的功能。最終達(dá)到讓學(xué)生真切感受到水下導(dǎo)航技術(shù)在水下機(jī)器人上的應(yīng)用原理和過程。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過水下導(dǎo)航技術(shù)及應(yīng)用的虛擬教學(xué)模式教學(xué)實(shí)踐，本文對(duì)該教學(xué)模式的內(nèi)容和方法進(jìn)行了分析探索，并提出了一些相應(yīng)的實(shí)施方案。通過理論教學(xué)和仿真實(shí)驗(yàn)方法的豐富，明顯看出學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性得到提高，學(xué)習(xí)興趣得到增強(qiáng)、學(xué)習(xí)效果明顯提升。

參考文獻(xiàn)：

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