基于VR操控的無人機系統(tǒng)在農業(yè)教學中的應用

林志瑋 黃秀萍 洪宇

[摘 要] 為促進無人機技術在高校農業(yè)教學中的應用，培養(yǎng)農用無人機應用技術人才，提升農業(yè)生產的信息化與精準化，設計了一個基于VR操控的無人機模擬系統(tǒng)，并應用于農業(yè)教學實踐中。該系統(tǒng)在VR技術支持下實現(xiàn)沉浸式教學體驗，提升了學生對無人機理論知識的掌握程度，解決了教學實踐中無人機設備短缺的問題;實時視覺定位無人機的航行環(huán)境并創(chuàng)建三維點云地圖，實現(xiàn)了農業(yè)信息獲取的可視化與實時性。該系統(tǒng)具有完備的設計過程，能夠直接應用于無人機農業(yè)教學中，為高校培養(yǎng)無人機農業(yè)技術人才創(chuàng)造條件。

[關鍵詞] VR技術;微型無人機;農業(yè)教學

[基金項目] 2018年度福建省研究生教育教學改革項目“AR/VR技術背景下研究生教學模式改革研究與實踐”（FBJG20180197）

[作者簡介] 林志瑋（1981—），男，臺灣臺北人，博士，福建農林大學計算機與信息學院副教授，主要從事圖像處理、圖形識別研究;黃秀萍（1998—），女，福建三明人，福建農林大學計算機與信息學院2020級統(tǒng)計學專業(yè)碩士研究生，研究方向為統(tǒng)計信息技術與數(shù)據(jù)挖掘、圖像分割識別;洪 宇（1996—），女，福建南平人，福建農林大學計算機與信息學院2018級統(tǒng)計學專業(yè)碩士研究生，研究方向為統(tǒng)計信息技術與數(shù)據(jù)挖掘、圖像分割識別。

[中圖分類號] TP399? ? [文獻標識碼] A? [文章編號] 1674-9324（2021）20-0141-04? ? ?[收稿日期] 2020-12-28

一、引言

隨著科學技術的發(fā)展，基于機械化、自動化、信息化的農業(yè)機械設備為解放農業(yè)生產帶來了新機遇，農業(yè)信息化是農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的科技體現(xiàn)和發(fā)展基石。將現(xiàn)代信息技術與農業(yè)生產實踐教學有機地結合起來，是高等農林院校須解決的一項復雜而艱巨的任務，是高校培養(yǎng)創(chuàng)新型、應用型、復合型農業(yè)信息化人才[1]，發(fā)展農業(yè)現(xiàn)代化的基礎與保障。

受教學設備限制，目前絕大多數(shù)高校尚未開設無人機相關課程，造成無人機農業(yè)信息化人才短缺[2]。VR（virtual reality）技術是一種能夠創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機仿真技術，將VR技術與無人機相結合，可設計一個基于VR操控的無人機飛行模擬控制系統(tǒng)。利用VR技術實現(xiàn)對虛擬無人機的操控，能夠有效解決實踐教學中無人機設備短缺的問題，同時避免學生因實體無人機操控不熟練而引發(fā)的教學事故，且具有實踐性強、展示力佳、學生施展空間大的優(yōu)點[3]。系統(tǒng)附屬的實時視覺同步定位及建圖功能，能夠讓學生實時了解無人機偵察地點的植物分布、生長情況等實時信息。將VR+無人機技術應用于農業(yè)教學中，提升了學生在實踐教學中的融入感以及動手與創(chuàng)新能力，更重要的是以農業(yè)信息化為導向，對培養(yǎng)有競爭優(yōu)勢的VR技術人才、無人機技術人才以及農業(yè)信息化人才，對滿足農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求具有重要意義。福建農林大學兼?zhèn)滢r業(yè)和計算機類專業(yè)等多方面的資源優(yōu)勢，是我國農業(yè)信息化建設的主力[4]，為此，他們結合優(yōu)勢教學資源，構建培養(yǎng)VR+無人機農業(yè)技術人才的教學平臺及跨專業(yè)教學團隊，探討培養(yǎng)新型農業(yè)高層次人才的教學改革新思路，為符合農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展建設輸送技術人才。

二、無人機農業(yè)教學基礎與關鍵問題

（一）無人機農業(yè)教學構建的基礎

無人機農業(yè)教學融合了遙感、計算機、農業(yè)等多學科的專業(yè)知識。福建農林大學是一所以農林為特色的綜合性大學，具有相關學科的專任教師，為跨學科教學團隊的整合創(chuàng)造了條件。此外，具備眾多的農業(yè)教學基地，可為無人機農業(yè)教學研究提供實踐基地。

為解決實踐教學中無人機設備短缺的問題，本文提出基于VR操控的虛擬無人機飛行控制模擬系統(tǒng)，只需在計算機機房便能實現(xiàn)無人機操作的實踐教學。

（二）無人機農業(yè)教學應解決的關鍵問題

無人機農業(yè)教學涉及多學科交叉問題，在創(chuàng)建跨學科教學團隊時，涉及不同學院、學科的專任教師，應合理配置團隊人員，促進教學團隊的交流合作，發(fā)揮跨學科教學的優(yōu)勢。

教學實踐是將理論和實踐有效結合的手段，是培養(yǎng)應用型人才的基礎。傳統(tǒng)涉及無人機設備的課程多數(shù)以理論教學為主，學生在學習過程中缺乏動手操作的機會，限制了創(chuàng)新型及應用型人才的培養(yǎng)。因此，改變傳統(tǒng)的教學目標，側重理論知識與實踐相結合的教學新模式，借助無人機模擬飛行控制系統(tǒng)培養(yǎng)學生制訂飛行路線、完成飛行任務、采集農業(yè)信息、執(zhí)行農業(yè)植保任務的能力。

無人機目前在農業(yè)上的應用仍是新興領域，并不成熟，主要存在以下問題：（1）植保無人機操作復雜，要求操作人員掌握基本操作技能[5];

（2）飛行規(guī)劃需要考慮地形、障礙物、作業(yè)區(qū)域等因素，一般無人機不具備自動避障功能[6]，易造成飛行事故，需要學生進行航線規(guī)劃[7，8]。通過開展無人機農業(yè)教學，可培養(yǎng)無人機技術人才，為農業(yè)信息化建設提供保障。

三、無人機教學平臺的搭建

（一）基于VR操控的無人機飛行控制模擬系統(tǒng)構成

基于VR操控的無人機飛行控制模擬系統(tǒng)的結構如圖1所示。系統(tǒng)主要由模擬模塊、飛控模塊、手勢識別模塊和機器學習模塊構成。無人機模擬模塊是創(chuàng)建虛擬無人機三維模型及在模擬地圖上的所在位置，該模塊提供了在不具有無人機設備的前提下，讓學生在實驗室機房中便能實現(xiàn)對無人機的飛行控制;無人機飛控模塊是對虛擬無人機進行飛行控制;手勢識別模塊是獲取手勢信息并對手勢進行識別;算法模塊是對手勢進行訓練，進而獲得具有較高識別準確率的識別模型。

（二）視覺同步定位與建圖系統(tǒng)構成

視覺同步定位與建圖系統(tǒng)的結構如圖2所示。該系統(tǒng)主要由信息獲取模塊、視覺里程計模塊、優(yōu)化模塊、回環(huán)檢測模塊和建圖模塊構成。信息獲取模塊具有圖像信息獲取、相機標定和圖像校正功能;視覺里程計模塊是對相機運動和局部地圖進行估計;優(yōu)化模塊是對信息進行優(yōu)化以及計算相機軌跡;回環(huán)檢測模塊是用于檢測攝像機是否到達之前到達過的位置;建圖模塊是根據(jù)系統(tǒng)計算后得出地圖信息實時創(chuàng)建三維點云地圖。