農(nóng)用無(wú)人機(jī)虛擬仿真項(xiàng)目設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

張偉 王玲 王振鋒 李世欣

摘? 要 無(wú)人機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是信息技術(shù)和人工智能發(fā)展的最新成果，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)實(shí)訓(xùn)是必要的和可行的。探討無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)教學(xué)的理論基礎(chǔ)，結(jié)合無(wú)人機(jī)實(shí)操訓(xùn)練特點(diǎn)，詳細(xì)介紹系統(tǒng)功能模塊和優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)以及實(shí)際教學(xué)流程，為開(kāi)展無(wú)人機(jī)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了較好的理論和技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真;人工智能;農(nóng)用無(wú)人機(jī);實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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

隨著社會(huì)、科技的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)的使用滲透進(jìn)社會(huì)各行各業(yè)。低空無(wú)人機(jī)屬于新興技術(shù)、高新前沿科技產(chǎn)業(yè)，目前已被成功應(yīng)用于影視航拍、測(cè)繪航測(cè)、高壓線巡查、遠(yuǎn)程監(jiān)控、救災(zāi)救援、農(nóng)藥噴灑、商業(yè)表演等領(lǐng)域，越來(lái)越多的行業(yè)正希望用無(wú)人機(jī)取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)方式。

2 開(kāi)展農(nóng)用無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的必要性和可行性

國(guó)家政策層面支持無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)和技能教育發(fā)展? 國(guó)家工業(yè)和信息化部提出在2018—2020年重點(diǎn)推動(dòng)人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，推進(jìn)人工智能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、集成應(yīng)用，并且點(diǎn)名重點(diǎn)培育無(wú)人機(jī)等八大類人工智能產(chǎn)品。《教育部辦公廳關(guān)于2017—2020年開(kāi)展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》《2018年教育信息化工作要點(diǎn)》等多份文件中指出教育信息化改革將是未來(lái)高校/職業(yè)院校專業(yè)教學(xué)與創(chuàng)新發(fā)展的新方向[1]。而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)授課內(nèi)容結(jié)合，則是教育信息化改革的重要組成部分。

無(wú)人機(jī)廣闊的市場(chǎng)前景和市場(chǎng)需求迫切需要培養(yǎng)無(wú)人機(jī)技能人才? 據(jù)相關(guān)部門介紹，新興的無(wú)人機(jī)技術(shù)領(lǐng)域?qū)?chuàng)造10萬(wàn)個(gè)工作崗位，并將于2025年產(chǎn)生820億美元的經(jīng)濟(jì)效益[2]。伴隨著無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的迅猛發(fā)展、不斷升溫，相關(guān)人才輸出成為各大高校必然要涉及的領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外各大高校紛紛開(kāi)始設(shè)立無(wú)人機(jī)相關(guān)課程，無(wú)人機(jī)專業(yè)教學(xué)模式也引起諸多專家學(xué)者的重視。

無(wú)人機(jī)技能實(shí)訓(xùn)問(wèn)題亟待解決

1）無(wú)人機(jī)植保正改變我國(guó)農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境，能在有限的時(shí)間內(nèi)快速完成作業(yè)，以免錯(cuò)過(guò)任何植保作業(yè)時(shí)間。然而在這一新興領(lǐng)域，能夠熟練操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行植保作業(yè)的專業(yè)人才寥寥無(wú)幾[3]。不熟練的植保，可能會(huì)導(dǎo)致施藥沒(méi)有噴灑到位，病蟲(chóng)害發(fā)作危害作物;重復(fù)噴灑，造成原材料浪費(fèi)，更是留下農(nóng)藥殘留和土地污染的隱患。

2）無(wú)人機(jī)高昂的價(jià)格和維護(hù)成本，使得學(xué)校開(kāi)展普遍性實(shí)訓(xùn)教學(xué)成為一種奢望。

3）農(nóng)用無(wú)人機(jī)使用教學(xué)，在常規(guī)教學(xué)中無(wú)法控制實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)以及實(shí)訓(xùn)環(huán)境，因此需要引進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，盡可能模擬各種實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景以及環(huán)境，從而達(dá)成實(shí)訓(xùn)教學(xué)效果。

4）在實(shí)踐過(guò)程中因操控失誤導(dǎo)致的損壞和丟失問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，大大增加了設(shè)備成本投入;而改為通過(guò)電腦進(jìn)行無(wú)人機(jī)操控飛行訓(xùn)練，枯燥單調(diào)，失去該課程設(shè)置的意義。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和無(wú)人機(jī)技能實(shí)訓(xùn)相結(jié)合? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助相關(guān)專業(yè)教學(xué)，能夠使學(xué)生完全沉浸在模擬真實(shí)1：1建模場(chǎng)景之中，直觀了解相關(guān)部件組成以及部件工作原理等內(nèi)容，幫助學(xué)生理解與掌握相關(guān)知識(shí)。同時(shí)通過(guò)有趣的互動(dòng)內(nèi)容以及人機(jī)交互，可以極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)效率，提升學(xué)習(xí)成績(jī)，進(jìn)而提升整體教學(xué)效率[4]。利用VR空間信息技術(shù)展示與交互的教學(xué)軟件，利用計(jì)算圖形技術(shù)創(chuàng)建一個(gè)三維視覺(jué)效果的虛擬場(chǎng)景，不受無(wú)人機(jī)類型、外界氣象地理環(huán)境、電磁波等因素的干擾和影響，針對(duì)學(xué)生操控?zé)o人機(jī)進(jìn)行模擬訓(xùn)練，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生興趣、提高無(wú)人機(jī)操控能力的目的[5-6]。

3 無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)及其優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)? 無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是將先進(jìn)的無(wú)人機(jī)技術(shù)和前沿的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，通過(guò)動(dòng)捕系統(tǒng)捕捉無(wú)人機(jī)航線，無(wú)線傳輸至虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，在真實(shí)場(chǎng)景下進(jìn)行無(wú)人機(jī)植保仿真，直觀感受無(wú)人機(jī)參數(shù)設(shè)置導(dǎo)致的不同植保結(jié)果，根據(jù)觀看到的植保結(jié)果，反復(fù)修正無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)及飛行線路方式，最終找到最優(yōu)的航線及參數(shù)，讓學(xué)生在教室中體驗(yàn)在曠野里的飛行感覺(jué)，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，掌握飛行技術(shù)，讓飛行夢(mèng)變得更加簡(jiǎn)單和觸手可及，展現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的無(wú)限可能性[7-8]。

無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是一種具備高度沉浸感和逼真度的飛行虛擬仿真系統(tǒng)。要完成無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的作業(yè)任務(wù)，僅掌握無(wú)人機(jī)駕駛技能是不夠的，還必須掌握任務(wù)載荷的使用技能。無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)具備特定情景的教學(xué)和訓(xùn)練飛行設(shè)置，可對(duì)飛行記錄進(jìn)行觀察和回放;具有良好的功能擴(kuò)展性，可增加無(wú)人機(jī)真實(shí)巡視主要工作項(xiàng)目為虛擬仿真實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，按照專業(yè)要求設(shè)置相應(yīng)考評(píng)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)訓(xùn)效果考評(píng)和任務(wù)完成效果查看;具備多機(jī)聯(lián)飛、定制場(chǎng)景等擴(kuò)展能力。

無(wú)人機(jī)仿真軟件優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)

1）基礎(chǔ)理論知識(shí)。系統(tǒng)的知識(shí)點(diǎn)講解，包含背景介紹、理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中的注意事項(xiàng)等，使學(xué)生首先對(duì)無(wú)人機(jī)有一個(gè)整體性認(rèn)識(shí)，加深對(duì)所學(xué)內(nèi)容的理解。

2）操作技巧講解。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)關(guān)鍵的操作步驟配有文字介紹，全面介紹飛行器的操控方式，并加以語(yǔ)音說(shuō)明，增強(qiáng)軟件的趣味性，利于學(xué)生快速掌握操作重點(diǎn)及難點(diǎn)。

3）雙屏顯示，直觀性教學(xué)演示。軟件界面雙屏顯示，同時(shí)展示飛行器及遙控器畫面，可以直觀地看到遙控器對(duì)飛行器的操控效果。Pad界面實(shí)時(shí)展示無(wú)人機(jī)云臺(tái)相機(jī)的拍攝畫面，并可放大展示飛行軟件APP的操作過(guò)程，設(shè)定航線，全自動(dòng)控制飛行過(guò)程。

4）兩種學(xué)習(xí)模式。軟件分為練習(xí)模式和操作模式：演示模式下可以正確模擬實(shí)驗(yàn)每一步的操作，學(xué)生只需點(diǎn)擊步驟進(jìn)行每一步操作演示;操作模式下，通過(guò)操作步驟指引，學(xué)生進(jìn)行相應(yīng)操作，完成對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的練習(xí)，并可對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 農(nóng)用無(wú)人機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)模塊

軟件以市場(chǎng)上有代表性的農(nóng)用無(wú)人機(jī)為參考藍(lán)本進(jìn)行實(shí)物建模制作，真實(shí)再現(xiàn)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行動(dòng)畫、原理。該型無(wú)人飛機(jī)由飛行平臺(tái)、導(dǎo)航飛控、噴灑機(jī)構(gòu)三部分組成，可以通過(guò)地面遙控或?qū)Ш斤w行噴灑藥劑、粉劑、種子等[9]。利用農(nóng)用無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，學(xué)生可掌握結(jié)構(gòu)原理及操控方法，達(dá)到行業(yè)操作水平以及認(rèn)證考試水平。農(nóng)用無(wú)人機(jī)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，要求能達(dá)到河南省級(jí)與國(guó)家級(jí)示范性虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)水平。

農(nóng)用無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)知模塊? 真實(shí)再現(xiàn)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格按各零部件尺寸1：1進(jìn)行三維實(shí)體建模;可將無(wú)人機(jī)各零部件逐一拆解，包括機(jī)體、碳纖維臂、螺旋槳、噴灑結(jié)構(gòu)單元，以及無(wú)刷電機(jī)、飛行控制器、電子調(diào)速器、GPS、圖傳、數(shù)傳、雷達(dá)、電源、噴灑控制等電子模塊，要求軟件操作中有手動(dòng)拆解、自動(dòng)拆解、爆炸圖三種拆解模式;各零部件可逐一抓取、觀察及學(xué)習(xí)，要求抓取每一個(gè)部件時(shí)顯示該部件的名稱;零件完全拆解后，可按順序逐一組裝，要求軟件操作中有手動(dòng)安裝以及自動(dòng)安裝兩種模式。

農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛行實(shí)訓(xùn)模塊

1）農(nóng)用無(wú)人機(jī)機(jī)體快裝快拆、飛行準(zhǔn)備以及噴灑結(jié)構(gòu)安裝和調(diào)試，包括農(nóng)藥/肥料在無(wú)人機(jī)噴灑中的調(diào)試方式，要求有詳細(xì)的步驟提示以及相應(yīng)的工具使用。

2）農(nóng)用無(wú)人機(jī)植保作業(yè)基本要領(lǐng)，應(yīng)包含飛行模式講解、遙控操器作、GPS導(dǎo)航下路徑規(guī)劃飛行、AB點(diǎn)遙控飛行、圖傳與數(shù)傳信息講解、調(diào)參軟件以及APP講解、無(wú)人機(jī)參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容。

3）講解藥液配比和植保基本知識(shí)，無(wú)人機(jī)飛仿的特點(diǎn)及安全注意事項(xiàng)，根據(jù)噴灑物和作物對(duì)象以及作業(yè)場(chǎng)景不同，制定合理的植保策略。

4）農(nóng)用無(wú)人機(jī)多環(huán)境飛行實(shí)訓(xùn)，要求建立最少三個(gè)不同環(huán)境，演示并訓(xùn)練農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛行情況實(shí)時(shí)查看，遙控操作，定點(diǎn)、定高巡航，導(dǎo)航自主飛行噴灑等操作，演示并訓(xùn)練AB點(diǎn)噴灑模式，自動(dòng)避障、仿地飛行、自動(dòng)返航、斷點(diǎn)續(xù)航、無(wú)藥報(bào)警、遙控接管等模式，噴灑效果評(píng)價(jià)等。在不同環(huán)境下要求使用不同的飛行策略。

5）農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛行實(shí)訓(xùn)模塊一：要求有真實(shí)操控器連接電腦以及虛擬遙控器仿真操作，可以讓操作者在虛擬的植保飛防作業(yè)環(huán)境中對(duì)遙控器的搖桿、按鈕、撥桿、撥輪等預(yù)置功能進(jìn)行操作訓(xùn)練。

6）農(nóng)用無(wú)人機(jī)飛行實(shí)訓(xùn)模塊二：要求無(wú)人機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)仿地飛行、變量噴灑、自動(dòng)避障以及電子圍欄功能，真實(shí)模擬當(dāng)前農(nóng)用無(wú)人機(jī)先進(jìn)技術(shù)功能。

7）交互性答題功能模塊，根據(jù)農(nóng)用無(wú)人機(jī)知識(shí)，設(shè)置專業(yè)知識(shí)考核題，通過(guò)答題激勵(lì)機(jī)制，促進(jìn)學(xué)生興趣培養(yǎng)。

5 農(nóng)用無(wú)人機(jī)仿真系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

軟件三維模擬了農(nóng)用無(wú)人機(jī)及農(nóng)田場(chǎng)景，介紹了無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)，在實(shí)際場(chǎng)景中模擬無(wú)人機(jī)的操作方法并將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生加深對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的了解，掌握農(nóng)用無(wú)人機(jī)的操作方法及使用規(guī)程，為實(shí)際操作打下基礎(chǔ)。農(nóng)用無(wú)人機(jī)仿真軟件具有以下優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

3D仿真場(chǎng)景? 通過(guò)搭建三維虛擬仿真場(chǎng)景，建立一個(gè)逼真的3D環(huán)境，學(xué)生以第一人稱在農(nóng)田場(chǎng)景中漫游并進(jìn)行靈活的交互式操作。

無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)展示? 以真實(shí)農(nóng)用無(wú)人機(jī)為依據(jù)，制作飛行器及遙控器模型，學(xué)生可在場(chǎng)景中360°全方位觀察飛機(jī)，同時(shí)配有無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)視頻，對(duì)無(wú)人機(jī)及遙控器的各部分構(gòu)造及名稱逐一展示，使學(xué)生迅速掌握飛機(jī)結(jié)構(gòu)。

動(dòng)畫輔助講解? 對(duì)于理論性的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)Flash動(dòng)畫進(jìn)行說(shuō)明講解，以動(dòng)畫和文字相結(jié)合的形式，把枯燥的知識(shí)變?yōu)槿の缎缘膭?dòng)畫展示，更利于學(xué)生理解和掌握。

粒子特效模擬? 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用粒子特效表現(xiàn)規(guī)劃飛行路線、飛機(jī)噴灑農(nóng)藥等過(guò)程，增強(qiáng)軟件的真實(shí)感，將學(xué)生帶入情境中，增強(qiáng)學(xué)習(xí)的趣味性。

過(guò)程式學(xué)習(xí)模式? 軟件以玉米為例，模擬實(shí)驗(yàn)中用到的器材和設(shè)備，并通過(guò)模擬農(nóng)用無(wú)人機(jī)播種與防控病蟲(chóng)草害過(guò)程，展現(xiàn)從播種到噴灑農(nóng)藥直至最后玉米生長(zhǎng)成熟的全過(guò)程，保持模擬過(guò)程的完整性及系統(tǒng)性。可用于涉農(nóng)相關(guān)專業(yè)學(xué)生對(duì)于應(yīng)用農(nóng)用無(wú)人機(jī)播種與防控病蟲(chóng)草害工作流程的認(rèn)知學(xué)習(xí)，以及無(wú)人機(jī)專業(yè)學(xué)生對(duì)農(nóng)用無(wú)人機(jī)的操控學(xué)習(xí)。

6 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)辟了無(wú)人機(jī)作業(yè)專業(yè)技能實(shí)訓(xùn)工作流程模擬教學(xué)新模式，為操作人員帶來(lái)全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn);打破了傳統(tǒng)視頻教學(xué)的局限性，以動(dòng)手操控仿真系統(tǒng)代替原來(lái)的只能觀看不能操控的視頻教學(xué)，對(duì)探索全新的無(wú)人機(jī)技能實(shí)訓(xùn)模式具有深遠(yuǎn)意義。相信隨著無(wú)人機(jī)仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的推廣和普遍使用，將對(duì)推動(dòng)無(wú)人機(jī)專業(yè)發(fā)展、提升無(wú)人機(jī)技術(shù)相關(guān)專業(yè)建設(shè)水平和人才培養(yǎng)質(zhì)量發(fā)揮重要作用。

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