虛擬仿真技術(shù)在無人機(jī)相關(guān)專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

梁婷 劉龍龍

摘?要：針對無人機(jī)價(jià)格相對較貴，零部件易損壞，很多院校的無人機(jī)設(shè)備數(shù)量有限，空域限制，學(xué)生無人機(jī)外業(yè)操控經(jīng)驗(yàn)缺乏，無人機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜性及外業(yè)環(huán)境的不穩(wěn)定性等問題，本文提出一套既針對以上風(fēng)險(xiǎn)問題又革新傳統(tǒng)教學(xué)模式的新方案，充分發(fā)掘虛擬仿真技術(shù)，將其應(yīng)用到無人機(jī)建模、飛行仿真驗(yàn)證等過程的教學(xué)中。本套虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有遙控器、飛控、電腦等實(shí)物產(chǎn)品，將先前建立的模型導(dǎo)入仿真系統(tǒng)進(jìn)行飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，沉浸式地感受逼真的飛行場景和可變的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)與虛擬世界的交互融合，通過參數(shù)設(shè)置來模擬環(huán)境的變化，如環(huán)境可見度、降雨量、風(fēng)和氣流的設(shè)置等，提供第一人稱視角、跟蹤視角、實(shí)際作業(yè)視角等幾種視角的隨時(shí)切換，駕駛員可以在虛擬飛行器上模擬仿真駕駛真實(shí)飛行器的感受，并驗(yàn)證飛行器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);仿真系統(tǒng);虛擬現(xiàn)實(shí);三維模型;氣動(dòng)模型

1?概述

我國無人機(jī)行業(yè)正迅猛發(fā)展，給社會帶來生產(chǎn)效率的提升、生活方式的改變、行業(yè)技術(shù)的革新。無人機(jī)作為一種新業(yè)態(tài)，具有作業(yè)成本低、機(jī)動(dòng)性好、生存能力強(qiáng)、高效靈活等特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占有極其重要的地位，如偵察機(jī)和靶機(jī)等，在民用領(lǐng)域已形成了“無人機(jī)+行業(yè)應(yīng)用”的形勢，將形成更加廣闊的應(yīng)用前景[1]。

高校緊跟科技時(shí)代進(jìn)步的步伐，開設(shè)無人機(jī)相關(guān)專業(yè)為社會培養(yǎng)新型的技能人才，開設(shè)的無人機(jī)相關(guān)專業(yè)課程如：無人機(jī)模擬操控技術(shù)、無人機(jī)仿真技術(shù)、無人機(jī)航拍測繪技術(shù)等課程，基本都是一些理實(shí)一體化的課程，實(shí)踐方面只有在實(shí)戰(zhàn)化的教學(xué)氛圍中，才有利于學(xué)生知識遷移。然而無人機(jī)價(jià)格較貴，零部件易損壞，很多院校的無人機(jī)設(shè)備數(shù)量有限，空域問題，學(xué)生無人機(jī)外業(yè)操控缺乏經(jīng)驗(yàn)，無人機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜性及外業(yè)環(huán)境的不穩(wěn)定性，這些因素為無人機(jī)實(shí)踐相關(guān)課程帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。面對這些問題，亟須一套能夠打破傳統(tǒng)教學(xué)模式的教學(xué)改革技術(shù)，因此，本文提出一套既針對以上風(fēng)險(xiǎn)問題又革新傳統(tǒng)教學(xué)模式的新方案，即基于虛擬仿真技術(shù)在無人機(jī)建模和飛行過程中的仿真教學(xué)方法。

2?虛擬仿真技術(shù)

在人類認(rèn)識自然界客觀規(guī)律的歷程中，虛擬仿真技術(shù)一直被有效地應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)逐漸自成體系，不但成為繼科學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)推理之后，人類認(rèn)識自然界客觀規(guī)律的第三類基本方法，而且正在發(fā)展成為人類認(rèn)識、改造和創(chuàng)造客觀世界的一項(xiàng)戰(zhàn)略性、通用性技術(shù)[2]。

虛擬仿真技術(shù)即虛擬現(xiàn)實(shí)加仿真，虛擬現(xiàn)實(shí)就是用虛擬的系統(tǒng)模仿另一個(gè)真實(shí)的系統(tǒng)，利用人機(jī)交互技術(shù)、多媒體技術(shù)、人工智能、傳感器等技術(shù)集成，構(gòu)成三維信息的人工環(huán)境—虛擬環(huán)境，得到逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境，學(xué)生在這種環(huán)境中，親自操作遙控器，聽到電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)的聲音，沉浸在飛行器隨遙控器操控?fù)跷蛔兓a(chǎn)生姿態(tài)變化的氛圍中，這種親自操作的情境，會有“身臨其境”的感覺，自然地與虛擬環(huán)境進(jìn)行人機(jī)交互，具有沉浸性、交互性、虛幻性、逼真性等特點(diǎn)。

關(guān)于無人機(jī)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行的相關(guān)研究，王建鋒曾提出從大型飛行仿真器到MATLAB仿真，此類仿真系統(tǒng)均存在不少問題：比如飛行仿真器雖然能夠構(gòu)造比較真實(shí)的仿真環(huán)境，但整體價(jià)位較高，而且一旦建造成功功能就基本固定，適應(yīng)性較差;利用VisualC++編寫仿真演示系統(tǒng)，工作比較復(fù)雜;MATLAB仿真雖然比較方便，但仿真系統(tǒng)跟實(shí)際環(huán)境有很大差距，一般只考慮了飛行器的動(dòng)力學(xué)模型，沒有考慮飛行器本身的運(yùn)動(dòng)特性，對于飛行環(huán)境只是簡單地模擬，真實(shí)性較差[3]。

XPlane軟件是功能比較強(qiáng)大用于測試飛行的模擬軟件，提供了比較真實(shí)的飛行器模型，軟件根據(jù)模型來預(yù)測飛行器的性能和操控性，提供的環(huán)境真實(shí)度高、操作方便、可視化效果好。通過參數(shù)設(shè)置來模擬環(huán)境的變化，如環(huán)境可見度、降雨量、風(fēng)和氣流的設(shè)置等，提供第一人稱視角、跟蹤視角、實(shí)際作業(yè)視角等幾種視角的隨時(shí)切換，駕駛員可以在虛擬飛行器上模擬仿真駕駛真實(shí)飛行器的感受，并驗(yàn)證飛行器的設(shè)計(jì)質(zhì)量。能夠根據(jù)快捷鍵設(shè)置實(shí)時(shí)顯示飛行器飛行軌跡，模擬仿真飛行器各螺旋槳的氣流變化，記錄和輸出飛行器的飛行相關(guān)參數(shù)，如位置、速度、姿態(tài)角等飛行器的狀態(tài)信息。

3?虛擬仿真技術(shù)在無人機(jī)建模和飛行過程中的仿真教學(xué)優(yōu)勢

3.1?以學(xué)生為中心，個(gè)性化培訓(xùn)

在實(shí)訓(xùn)課程中無人機(jī)及相關(guān)器件較一般課程的成本要高很多，學(xué)生人數(shù)較多，一般很難實(shí)現(xiàn)學(xué)生每人一套飛行器，而且無人機(jī)相關(guān)器件易損耗，高校對學(xué)生實(shí)訓(xùn)的成本很難滿足條件[4，6]。而采用虛擬仿真技術(shù)在無人機(jī)建模和飛行驗(yàn)證的教學(xué)能得到開放的學(xué)習(xí)資源，不再受制于空域場地安全的問題，打破了空間與時(shí)間的限制，學(xué)生只要擁有電腦就能進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。不會消耗器材，飛行器的仿真驗(yàn)證模型可以重復(fù)操作，修改參數(shù)重塑模型，降低了實(shí)驗(yàn)成本和設(shè)計(jì)成本[5]。特別是航空攝影測量、無人機(jī)駕駛技術(shù)、無人機(jī)集群控制等專業(yè)課程，對場地及設(shè)備和學(xué)生的操作相關(guān)性較強(qiáng)，虛擬仿真技術(shù)能夠針對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行抽象概念的理解、理論及算法的掌握提供現(xiàn)實(shí)與虛擬世界的交互融合。

3.2?沉浸式學(xué)習(xí)，創(chuàng)新教學(xué)培訓(xùn)手段

虛擬仿真技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)訓(xùn)飛行器設(shè)備、飛行環(huán)境多變、飛行姿態(tài)感知和三維可視化場景等虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，部分無人機(jī)相關(guān)實(shí)訓(xùn)課程可以在這種虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中完成實(shí)踐任務(wù)。學(xué)生能夠在這種沉浸式的教學(xué)模式中體驗(yàn)到因模型設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的炸機(jī)，因操作方式不規(guī)范而導(dǎo)致的墜毀[7]，從課題抽象概念和原理中理解相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，由事后或經(jīng)驗(yàn)的反饋提到了過程中的節(jié)點(diǎn)反饋，教師可實(shí)時(shí)跟進(jìn)學(xué)生的仿真效果，監(jiān)控和指導(dǎo)學(xué)生及時(shí)修正、規(guī)范操作，提升實(shí)踐課堂的教學(xué)成效和探索欲。

4?無人機(jī)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

無人機(jī)仿真教學(xué)主要包括仿真模塊、飛行數(shù)據(jù)模塊、通信模塊、飛機(jī)模型庫、紋理材質(zhì)庫等。仿真模塊主要完成接收通信模塊傳來的飛行數(shù)據(jù)，從模型庫導(dǎo)入飛行器模型、場景模型、聲音模型，并對飛行器進(jìn)行姿態(tài)和位置調(diào)整，驅(qū)動(dòng)飛行器模型按照飛行數(shù)據(jù)在場景中進(jìn)行模擬飛行。模型庫為仿真系統(tǒng)提供飛行模型，包括飛行器模型、場景模型、建筑物模型、聲音模型等，其中飛行器模型最為重要。并從材質(zhì)紋理庫讀取紋理介質(zhì)，將紋理介質(zhì)貼于飛行器或場景表面，使模型更加美觀、逼真，材質(zhì)紋理庫為模型庫中的各種模型的表面提供紋理介質(zhì)。

飛行數(shù)據(jù)模塊中的數(shù)據(jù)可以來自實(shí)時(shí)的飛行數(shù)據(jù)，也可以來自飛行動(dòng)力學(xué)模型的模擬數(shù)據(jù)，或者離線的外部數(shù)據(jù)。

通信模塊負(fù)責(zé)飛行數(shù)據(jù)與仿真模塊之間的通信，本次采用遙控器、飛控和計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)線連接實(shí)現(xiàn)，飛行數(shù)據(jù)模塊作為客戶端，仿真模塊作為服務(wù)端。在數(shù)據(jù)鏈路層還可以使用循環(huán)冗余校驗(yàn)碼對飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)。

4.1?無人機(jī)平臺設(shè)計(jì)

為了更加深入地學(xué)習(xí)某種機(jī)型，讓學(xué)生參與到多旋翼無人機(jī)整個(gè)設(shè)計(jì)過程，從總體參數(shù)設(shè)計(jì)開始，多旋翼各部分重量核算出動(dòng)力系統(tǒng)的總拉力和巡航總功率，再進(jìn)行動(dòng)力分?jǐn)傔x擇平臺的氣動(dòng)布局，優(yōu)先選擇X型4旋翼或X型6旋翼。動(dòng)力組的選型，從上面核算的總巡航拉力和總巡航功率著手，優(yōu)先選擇高電壓、小電流的電源模塊，根據(jù)每個(gè)支臂上的功率和動(dòng)力冗余去選擇電機(jī)、電調(diào)和螺旋槳，進(jìn)而可以設(shè)計(jì)出飛行平臺的相關(guān)尺寸，比如水平尺寸、腳架高度等。

4.2?無人機(jī)三維建模

學(xué)生在前序課程CAD的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)solidworks三維建模軟件的任務(wù)變得輕車熟路，將整個(gè)四旋翼無人機(jī)模型分成四大零件模塊，分別是電機(jī)、中心版、腳架、海綿保護(hù)裝置。將設(shè)計(jì)的四旋翼無人機(jī)各部位零件定型，確定的尺寸賦值到零件的尺寸繪制零件三維模型。最后將三維零部件裝配，完成四旋翼無人機(jī)的整體三維模型建模過程。

4.3?無人機(jī)氣動(dòng)建模

本系統(tǒng)無人機(jī)的氣動(dòng)模型是由PlaneMaker制作完成，其中PlaneMaker是與XPlane捆綁在一起的程序，它可以讓用戶設(shè)計(jì)出想要的飛機(jī)，通過輸入飛機(jī)的所有物理參數(shù)，如重量、機(jī)翼展長、控制偏差、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、機(jī)翼截面等。之后，XPlane仿真器將預(yù)測該飛機(jī)在現(xiàn)實(shí)世界中的飛行方式。

PlaneMaker的基本建模思想是在建模時(shí)需要有各部件位置信息和自身形狀參數(shù)。以多旋翼無人機(jī)建模為例，首先需要進(jìn)行機(jī)身建模，需要輸入機(jī)身數(shù)據(jù)、機(jī)身位置、機(jī)身各截面參數(shù)。支臂的設(shè)計(jì)、腳架的設(shè)置包括尺寸和位置，螺旋槳的外形、尺寸、位置以及每個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)向設(shè)置，螺旋槳的顏色配置等。需要設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)格、馬力，多旋翼無人機(jī)的起飛重量、空機(jī)重量，空速設(shè)置。為了避免多旋翼無人機(jī)模型起飛前螺旋槳的方向轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤，可先以低速轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋槳，觀察各槳的旋轉(zhuǎn)方向。

雖然Plane?Maker非常適合進(jìn)行飛機(jī)模型的設(shè)計(jì)，而且模型可靠且易于使用，但它不是專業(yè)的3D建模軟件，它僅用于布置飛機(jī)的基本空氣動(dòng)力學(xué)形狀和特性，得出的模型看起來還不錯(cuò)，但效果并不太理想。Plane?Maker無法制作3D座艙所需的復(fù)雜模型，也無法創(chuàng)建整個(gè)飛行器詳細(xì)的高度模型，以覆蓋從中計(jì)算飛行物理的基本模型，當(dāng)然也可以使用AC3D建立3D模型再次導(dǎo)入進(jìn)去。

4.4?三維實(shí)景建模

無人機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)教學(xué)中，三維實(shí)景為整個(gè)仿真過程增添了豐富而逼真的場景，特別是具有任務(wù)性的飛行場景，如電力巡檢、植保等特殊行業(yè)需要穿越障礙的場景，通過地形、地貌、建筑物等三維實(shí)景建模，或從豐富的地景數(shù)據(jù)庫中直接調(diào)用場景，為學(xué)生提供逼真的場景信息和模型。通過觀察視角和漫游路徑的可調(diào)節(jié)，增加無人機(jī)仿真系統(tǒng)的真實(shí)感和準(zhǔn)確性。

4.5?系統(tǒng)虛擬仿真飛行模塊

本套虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有遙控器、飛控、電腦等實(shí)物產(chǎn)品，搭配虛擬仿真軟件就可以將先前建立的模型導(dǎo)入仿真系統(tǒng)進(jìn)行飛行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，利用軟件仿真系統(tǒng)半實(shí)物模擬仿真。

執(zhí)行xplane虛擬仿真飛行的時(shí)候，學(xué)生可以從檢查所有控制舵面的運(yùn)動(dòng)開始，通過虛擬仿真再到掌握現(xiàn)實(shí)版飛機(jī)的豐富經(jīng)驗(yàn)，感覺各控制舵面或搖桿的操作是怎樣的。進(jìn)行試飛之后，學(xué)生能夠及時(shí)得到反饋，目標(biāo)是能夠回到Plane?Maker中查找模型需要改進(jìn)的地方，并按照引導(dǎo)及時(shí)修改，讓模型能夠符合實(shí)際性能。假設(shè)由于某種原因，飛機(jī)轉(zhuǎn)彎時(shí)感覺比較遲鈍，可以嘗試增加控制舵面的面積，讓模型的舵面和實(shí)際控制舵面相匹配，這不是改變飛機(jī)飛行特性的途徑，舵面面積不僅表示可以影響平面轉(zhuǎn)動(dòng)方式的變量，還必須與真實(shí)飛機(jī)的設(shè)計(jì)一致，若增加舵面面積偏離現(xiàn)實(shí)，則可能改善了這個(gè)問題又出現(xiàn)新的問題。

4.6?飛行環(huán)境設(shè)置

民用無人機(jī)飛行環(huán)境主要在對流層區(qū)域，由于受地表影響較大，對流層的氣象要素（氣溫、濕度等）的水平分布不均勻，空氣有規(guī)則的垂直運(yùn)動(dòng)和無規(guī)則的亂流混合都相當(dāng)強(qiáng)烈，容易成云致雨，對流層的天氣比較復(fù)雜多變。通過仿真系統(tǒng)的環(huán)境配置云、雨、霧、雪等極端天氣，學(xué)生能在多感知一體化的學(xué)習(xí)環(huán)境中感受極端天氣對飛行器性能的影響。不同環(huán)境下感受飛行器模擬氣流的變化，有助于學(xué)生對課題中較為抽象的概念和原理的理解，增強(qiáng)學(xué)習(xí)興趣和激發(fā)創(chuàng)造性。

5?總結(jié)與展望

本文根據(jù)高校辦學(xué)特色和教學(xué)條件，為緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本大、質(zhì)量差、效率低、風(fēng)險(xiǎn)高等問題，提出虛擬化實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)新模式，形成“虛實(shí)結(jié)合”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新格局。本文提出的無人機(jī)虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，建立了完整的四旋翼無人機(jī)三維模型、氣動(dòng)模型，在Xplane仿真環(huán)境下設(shè)計(jì)虛擬仿真教學(xué)平臺。通過仿真技術(shù)模擬出飛行器設(shè)計(jì)建模、氣動(dòng)特性、過程驗(yàn)證、飛行操縱等環(huán)節(jié)的原生態(tài)，提供了較真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。解決了傳統(tǒng)教學(xué)中培訓(xùn)成本高、過程風(fēng)險(xiǎn)高等現(xiàn)實(shí)性問題。實(shí)踐表明，虛擬仿真軟件一定程度上鞏固了教學(xué)效果，消除了實(shí)驗(yàn)潛在風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約了耗材支出，達(dá)到提高教學(xué)效率和效果的目的。主要表現(xiàn)在如下方面：

5.1?四旋翼無人機(jī)建模

旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)和布局較為簡單，作為學(xué)生的入門學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，從飛行器總體參數(shù)設(shè)計(jì)到飛行平臺的設(shè)計(jì)，其中飛行平臺設(shè)計(jì)包括平臺氣動(dòng)布局選擇、動(dòng)力組選型、電池的選擇、平臺重要尺寸的確定等多環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)。將設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模型的轉(zhuǎn)化，建立完整的四旋翼無人機(jī)模型。

5.2?虛擬仿真系統(tǒng)平臺構(gòu)建

為了仿真效果更加直觀，采用XPlane作為飛行模擬器，因?yàn)樗峁┝顺錾娘w行模型、三維景觀、出色的圖形、流暢的幀速率以及逼真的天氣和照明。在仿真過程中更加直觀地觀察模型的飛行性能和評估控制系統(tǒng)的控制效果。

隨著5G時(shí)代的到來，人工智能及信息化技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)將成為新時(shí)代教育改革的一項(xiàng)重要舉措，無人機(jī)虛擬仿真系統(tǒng)具有巨大的發(fā)展?jié)摿?，沉浸式的教學(xué)方式，激發(fā)學(xué)生的積極性和探索欲，實(shí)訓(xùn)流程從靈活和個(gè)性化的方面開展，達(dá)到了較好的教學(xué)效果[8]。另一方面，虛擬仿真系統(tǒng)的運(yùn)行對設(shè)備及顯示性能的要求高，目前仍存在需要改進(jìn)之處，比如，學(xué)生參與開發(fā)性設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)和探索性實(shí)驗(yàn)仍需要不斷繼續(xù)完善和探索，以期實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量信息化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，推進(jìn)教學(xué)改革和人才培養(yǎng)新模式的探索。

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基金項(xiàng)目：南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)2020年高等職業(yè)教育校內(nèi)教研課題（編號：GJ2024），課題名稱：深化產(chǎn)教融合和校企合作——以南工無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)為例

作者簡介：梁婷（1988—?），女，漢族，陜西人，碩士，工程師，研究方向：無人機(jī)人工智能;劉龍龍（1988—?），男，漢族，湖南婁底人，碩士，工程師，研究方向：航空發(fā)動(dòng)機(jī)。