水下導航技術及應用的虛擬仿真教學模式探究

黃浩乾　李林敏

摘要：為了幫助學生對水下導航技術的理解，培養學生運用理論指導實踐的能力，本文分析了虛擬仿真教學方法的原理及實施。綜合自動化、數據圖像和視頻、計算機及其軟件等技術，利用虛擬現實軟件與硬件設備等信息化、多媒體技術手段，構建具有高度仿真度的數據仿真。結合實際對象的實驗環境和過程，達到更好地提高學生的學習積極性、增強學習興趣、提高學習效果的目的。

關鍵詞：水下導航技術；虛擬仿真；教學模式

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）30-0190-02

水下機器人是一種智能化、自主航行、可根據任務使命要求進行模塊優化組合，并能實現多種功能的集成系統。隨著各國海洋戰略的發展，水下機器人無論在軍事領域和民用領域都得到了越來越廣泛的應用。導航系統在水下機器人領域中起到了至關重要的作用。由于水下無法接受全球定位系統等電磁波信號，一般只能依靠慣性導航輔以聲納、洋流數據等技術進行導航。慣性導航系統可分為兩類：平臺式慣性導航系統和捷聯式慣性導航系統。其中，前者具有物理平臺，慣性測量元件安裝在物理平臺的臺體上，其體積較大、結構復雜，但干擾較少，計算量小。而后者的元件直接安裝在載體上，用數字平臺取代物理平臺，計算量很大、受外界環境影響較大，但其體積小、成本低、結構簡單、維護便利，隨著計算機技術和數字信號處理技術的不斷發展，捷聯式慣性導航系統的優勢不斷體現，并被廣泛使用。

一、虛擬仿真教學平臺的引入

實驗教學環節是本科生技能培養和專業知識獲取必不可少的部分。但在學生理論知識學習和實踐能力培養過程中，經常會出現實驗環節在真實環境下難以重復、可觀察、成本較高、實施難度較大的問題[1]。要使學生對專業知識與理論有切身真實的體驗和感性認識，利用虛擬仿真技術是很有必要的，借助多媒體、數字化、網絡化軟硬件技術，精確仿真模擬真實的作業任務和物理環境。使得學生在虛擬仿真實驗平臺下，實現真實環境難以再現的實踐和認知過程，從而提高學生對知識的深入理解和綜合運用能力[2]。在國外，虛擬仿真實驗教學最早起源于工科類院校基礎課程教學，如美國University of Houston的虛擬物理實驗室、美國University of North Carolina外科手術仿真實驗室、Massachusetts Institute of Technology的微電子在線實驗室、George Mason University的動態流體虛擬仿真實驗系統等[3，4]。虛擬仿真實驗教學由于其精準性、直觀性、生動性、安全性、可操作性強以及成本較低，廣泛適用于各種專業的教學以及能力提高中[5]。河海大學作為以水利為特色，工科為主，多學科協調發展的教育部直屬全國重點大學，一直以來把學生專業理論基礎的實踐能力培養作為本科教學的重點理念，建有國家級實驗教學示范中心3個，國家虛擬仿真實驗教學中心1個，自動化類專業在全校多個本科專業中占有重要地位。本虛擬仿真實驗項目是為自動化專業本科《自動控制原理》的教學設計和制定的，滿足相關教學大綱的內容要求。通過構建具高度仿真能力的虛擬實驗環境和實驗過程，學生可以在多媒體環境中通過數據視頻/圖像和人機互動操作中開展有關控制和自主運動載體（如無人機、無人駕駛，水下機器人等）的系統控制與自主導航關聯實驗，讓學生借助情景化、視覺化的教學手段模擬性地參與到實際實驗過程中，親身體會和感受自己動手搭建的如水下導航平臺的運作過程，實現生動、直觀、互動化地學習和理解控制理論和導航工程技術的意義。

二、實驗教學方法與原理

綜合自動化、數據圖像和視頻、計算機及其軟件等技術，利用虛擬現實軟件與硬件設備等信息化、多媒體技術手段，構建具有高度仿真度的數據仿真結合實際對象的實驗環境和過程，虛擬現實意義上表現諸如機器人協同控制、水下機器人導航等實驗內容。滿足學生完成參與型的實驗教學的要求與相關實驗目標的達成。該項目系統將以DVS3D虛擬現實軟件為平臺支撐，建立全三維水下環境動態平臺，并將水下環境數據（如：溫度、深度、流速等）映射到全三維水下場景中。同時建立水下機器人動態滑翔模型并顯示其運動模型參數。搭載在水下機器人上的導航與定位傳感器采集并解算導航定位信息，從而建立了水下機器人水下導航與定位信息獲取的仿真系統。通過該仿真系統，可直觀看出海洋環境參數變化情況、機器人在水下運行狀態以及導航信息準確獲取方法。通過動畫、聲音以及特有的三維模擬方式，為學生營造一個真實的環境，把水下機器人在海洋中運動狀態和機器人的導航制導與控制過程逼真地呈現出來。虛擬現實水下導航與控制虛擬仿真實驗平臺通過對海洋環境參數、機器人運動狀態、導航信息獲取以及制導與控制實施進行逼真的3D可視化虛擬展示。通過人機互動形式，與虛擬環境中的船體模型進行交互操作，完成機器人本體姿態預調節、水下緊急情況拋載處理等。同時，該系統還提供導航信息初始參數設置，通過模擬真實的導航信息初始化，幫助學生了解水下機器人一航次中導航、制導與控制的過程。

三、虛擬仿真教學模式的實施

進行海底地形輔助導航系統仿真教學是要完成如下幾部分工作：將系統分成若干功能模塊，各功能模塊分別代表不同的子系統或傳感器；建立各子系統及傳感器的數學模型或其誤差的數學模型；設計匹配算法；確定各模塊間的信息流；將各功能模塊的數學模型轉換為計算機編碼。海底地形輔助導航仿真教學模型由水下機器人模塊、導航模塊、測深測潛儀模塊、數字海洋圖形模塊、匹配模塊和性能評估模塊組成。建立一個準確、完整的水下機器人空間運動仿真模型是進行仿真的基礎。水下機器人是一種在水下運動的剛體，具有剛體空間運動方程的一般形式，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。虛擬仿真系統能實時接收動態輸入，并產生實時動態輸出，實時性對于半實物仿真系統的穩定性和精度具有十分重要的意義。虛擬仿真系統中，學生可獲得視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、運動感覺等多種感知，從而獲得身臨其境的感受。理想的虛擬仿真系統應該具有能夠給人所有感知信息的功能。最終達到讓學生真切感受到水下導航技術在水下機器人上的應用原理和過程。

四、結束語

通過水下導航技術及應用的虛擬教學模式教學實踐，本文對該教學模式的內容和方法進行了分析探索，并提出了一些相應的實施方案。通過理論教學和仿真實驗方法的豐富，明顯看出學生的學習積極性得到提高，學習興趣得到增強、學習效果明顯提升。

參考文獻：

[1]王金崗.工學結合模式下虛擬仿真教學系統設計[J].職教論壇，2013，（17）：26-29.

[2]惲如偉.虛擬現實的教學應用及簡易虛擬學習環境設計[D].南京：南京師范大學，2005.

[3]韓芝俠，魏遼博，韓宏博，等.仿真虛擬實驗教學的研究與實踐[J].實驗技術與管理，2006，23（5）：63-65.

[4]許秀云，張玉梁.依托現代信息技術提高實驗教學質量[J].實驗室研究與探索，2011，30（5）：130-132.

[5]王桂忠.基于LabView的虛擬仿真實驗平臺的設計[D].青島：中國海洋大學，2009.