基于VR技術(shù)的無人機操控實訓(xùn)

李哲倫

摘要：本文以VR技術(shù)在高職院校無人機操控實訓(xùn)中的應(yīng)用為研究核心，以上海民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院航模社教學(xué)實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，對VR技術(shù)在該類實訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)勢進行了論述;對VR技術(shù)在無人機操控實訓(xùn)中的教學(xué)方法進行了設(shè)計和實現(xiàn)，為其他院校開展同類實訓(xùn)提供參考。

關(guān)鍵詞：VR技術(shù);無人機操控實訓(xùn);仿真環(huán)境

一、無人機操控實訓(xùn)現(xiàn)狀

無人機飛行操控實訓(xùn)是無人機應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的基礎(chǔ)課程，該課程的訓(xùn)練效果是后續(xù)專業(yè)課程如：無人機航測實訓(xùn)、無人機植保實訓(xùn)的必備保障。無人機操控實訓(xùn)在實際訓(xùn)練過程中也出現(xiàn)了一些問題：①受天氣影響較大：外場訓(xùn)練一旦遇到大風(fēng)天、雨雪天，實訓(xùn)難度增大甚至無法開展;②場地受限：以我院為例，學(xué)院緊鄰浦東機場凈空區(qū)，訓(xùn)練的高度和范圍均受限;③安全問題：訓(xùn)練機基本為Ⅲ類或者Ⅳ類無人機，重量大、速度快，倘若初次參訓(xùn)學(xué)生手生失控，會有較大安全隱患。除此之外，還有訓(xùn)練強度不高、教員看管困難等其他問題。

二、VR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用情況

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality-VR）技術(shù)，就是通過計算機技術(shù)產(chǎn)生電子信號，將其與各種輸出設(shè)備結(jié)合，創(chuàng)建和實現(xiàn)虛擬世界體驗的仿真技術(shù)，生成出模擬環(huán)境，并使用戶沉浸其中。VR技術(shù)是計算機仿真技術(shù)的一種新形式，跟傳統(tǒng)的仿真技術(shù)相比，VR技術(shù)的沉浸感更強烈，仿真效果更真實。在國際上，該技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用在影視、游戲等娛樂領(lǐng)域，更被運用到制造、教育、文化、健康、商貿(mào)等各個行業(yè)，成為人們工作中必不可少的生產(chǎn)力。在教育行業(yè)，已有不少學(xué)校開始嘗試將VR技術(shù)應(yīng)用在航空機電設(shè)備維修實訓(xùn)、汽車發(fā)動機拆裝實訓(xùn)等課程中。

三、VR技術(shù)在無人機操控實訓(xùn)中的教學(xué)設(shè)計

本文以學(xué)院航模社為樣本，將二十名社員分為A、B兩組，每組選取一名組長及三名助手開展無人機操控訓(xùn)練，A組采用VR模式，B組采用傳統(tǒng)模式作為對照組。

3.1安全教育與應(yīng)急處置

實訓(xùn)教學(xué)中，安全永遠是第一位的。VR無人機操控實訓(xùn)作為教學(xué)上的探索，更應(yīng)該把安全教育融入到課程中去。每天、每節(jié)實訓(xùn)都將通過VR短片向同學(xué)們講解安全注意事項和應(yīng)急處置方法，以及相關(guān)警示案例。

3.2實訓(xùn)任務(wù)布置

第一組全程通過VR授課形式進行訓(xùn)練，第二組以傳統(tǒng)實訓(xùn)授課形式進行訓(xùn)練，實訓(xùn)結(jié)束后采用相同的標(biāo)準(zhǔn)進行考核，比較兩種模式下學(xué)生技能掌握的情況。

3.3實訓(xùn)過程

實訓(xùn)中嚴(yán)格按照授課計劃開展教學(xué);學(xué)生嚴(yán)格按照教師要求進行訓(xùn)練，遵循循序漸進，先易后難的原則依次訓(xùn)練，嚴(yán)禁違規(guī)操作[1]。

3.4課后檢查

實訓(xùn)結(jié)束后，按照民航工作標(biāo)準(zhǔn)對實訓(xùn)設(shè)備與器材進行檢查;每組由組長負(fù)責(zé)，分工開展整理、收納，并對實訓(xùn)場地按照“6S”標(biāo)準(zhǔn)進行清理。

3.5教師考核與小組對比分析

實訓(xùn)結(jié)束后，采用相同的考評標(biāo)準(zhǔn)進行考核，評判實訓(xùn)效果并分析其異同。

四、VR仿真無人機操控實訓(xùn)教學(xué)的實現(xiàn)

4.1VR無人機操控環(huán)境的實現(xiàn)

本文采用Pacelab WEAVR軟件環(huán)境，搭配HP圖形工作站及Oculus Quest2組成的硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)VR教學(xué)。VR無人機操控實訓(xùn)室包括以下三個主要組成部分：

①VR虛擬現(xiàn)實教室：該教室配備沉浸式的以及非沉浸式的虛擬培訓(xùn)設(shè)備，可供學(xué)生進行虛

擬訓(xùn)練;

②Pacelab WEAVR實驗室：使用Pacelab WEAVR編輯器進行虛擬培訓(xùn)內(nèi)容創(chuàng)建的實驗室;

③Pacelab WEAVR服務(wù)器：是一個基于Web的模塊，用于收集和分發(fā)使用Pacelab WEAVR軟件創(chuàng)建的VR內(nèi)容，并且支持多人協(xié)作;允許更多方用戶共享相同的視圖（沉浸式）并交換信息。

教師在STEAM平臺上學(xué)習(xí)Unity 3D仿真環(huán)境的搭建，以及WYSWYG制作工具使用，基于軟件提供的向?qū)Ш蛶?，?chuàng)建由虛擬和混合現(xiàn)實增強的程序內(nèi)容。

4.2VR無人機操控訓(xùn)練方案

教學(xué)對象為無人機操控初學(xué)者，筆者參考《無線電遙控模型飛機戴氏教學(xué)法——基礎(chǔ)飛行訓(xùn)練》來編輯訓(xùn)練項目，依次為：（1）地面教學(xué)（2）飛行教學(xué)（3）起飛程序（4）飛機的調(diào)校（5）著陸準(zhǔn)備（6）著陸組織（7）著陸（8）單飛。其中的主體為飛行教學(xué)，根據(jù)多旋翼無人機的特點，細(xì)化為八個步驟：

（1）定高移動訓(xùn)練;（2）方向控制訓(xùn)練;（3）對尾懸停訓(xùn)練;（4）八方位懸停訓(xùn)練;（5）360°自旋懸停訓(xùn)練;（6）矩形航線訓(xùn)練;（7）梅花航線訓(xùn)練;（8）勻速水平八字航線訓(xùn)練

以上飛行訓(xùn)練可通過限制每個動作的時間和精確度來提高練習(xí)的強度與難度。在完成前述練習(xí)后，結(jié)合前進、后退、向左平移、向右平移、上升、下降及旋轉(zhuǎn)共七種基本操作，進行兩兩隨機組合，產(chǎn)生諸如前進上升、平移上升、螺旋下降等多種飛行組合[2]，開展進階訓(xùn)練，保證練習(xí)的延續(xù)性。

五、VR技術(shù)應(yīng)用在無人機操控實訓(xùn)中的效果分析

相對于傳統(tǒng)實訓(xùn)，VR仿真訓(xùn)練的手感和體驗仍有差距，但VR技術(shù)的獨特優(yōu)勢確保了惡劣天氣下的持續(xù)訓(xùn)練，并且可以通過增加工位等方法提高效率;在師生比不變的情況下，大幅提高單位學(xué)生的訓(xùn)練時間。

在實驗過程中，也發(fā)現(xiàn)了VR實訓(xùn)教學(xué)的一些問題：

（1）教師控場能力[3]

VR技術(shù)的沉浸感能夠有效提升實訓(xùn)體驗，但容易讓學(xué)生沉迷其中，這對教師的控場能力提出了更高的要求。教師需要在虛擬仿真教學(xué)中加入溝通與交流環(huán)節(jié)，隨時接收學(xué)生的反饋，適時通過軟件的第三視角功能查看學(xué)生的練習(xí)狀況及進度，及時指導(dǎo)與提示，強化對仿真實訓(xùn)過程的把控，確保無人機操控實訓(xùn)的效果與質(zhì)量。

（2）正確認(rèn)識虛擬與現(xiàn)實的關(guān)系

VR技術(shù)能讓學(xué)生身臨其境地感受訓(xùn)練場地、項目，并且?guī)熒梢詫崟r交互，但虛擬與現(xiàn)實終究還是有差異的。VR技術(shù)只是一種輔助教學(xué)的手段，實訓(xùn)效果的決定性因素仍是教師的教學(xué)方法以及學(xué)生的訓(xùn)練強度。

（3）健康監(jiān)測

長時間的VR訓(xùn)練不可避免地將對眼睛造成壓力，因此VR仿真實訓(xùn)在設(shè)計和實施的過程中，一定要注意虛實結(jié)合，科學(xué)合理地分配時間，穿插理論指導(dǎo)和演示，確保學(xué)生的身心健康。

六、結(jié)語

VR作為一個新興技術(shù)，已被運用到國民經(jīng)濟的諸多領(lǐng)域，對于教育行業(yè)，它的使用和推廣也是必然。基于VR技術(shù)的無人機操控實訓(xùn)不僅提高實訓(xùn)教學(xué)效率，讓實訓(xùn)教學(xué)不再受氣象和場地等因素的限制;而且憑借其低風(fēng)險和沉浸感強兩大獨特優(yōu)勢，較好地彌補了傳統(tǒng)實訓(xùn)的一些不足。

參考文獻：

[1]萬飛 基于 VR 虛擬模擬教學(xué)在高職院校發(fā)動機拆裝實訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用中的研究[J].時代汽車，2022，（02）：64-65.

[2]樸清柔 無人機航拍實訓(xùn)教學(xué)基礎(chǔ)飛行練習(xí)手法研究[J].電子元器件與信息技術(shù)，2021，5（10）：146-147.

[3]尚金龍 VR技術(shù)在航空機電設(shè)備維修實訓(xùn)中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機與配件，2022，（01）：238-240.