基于虛擬現實技術的《現代控制理論》課程教學模式探索

吳大偉

（河海大學能源與電氣學院 江蘇·南京 211100）

復雜工程問題源自現代工程的綜合性、多樣性、跨學科交融等特征。而培養學生解決復雜工程問題的能力是新時代發展的必然要求。傳統工科教學框架下的人才培養模式以教師為主體、以課堂講授為核心環節，對工程教育專業認證推行的“以學生為本”“以產生為導向”“以培養學生解決復雜工程能力為核心”的精神內涵執行不夠深入[1-2]。《現代控制理論》是自動化學科核心課程，既是《自動控制原理》課程的發展，也是《線性系統理論》《魯棒控制》《最優控制》等研究生課程的基礎，具有十分關鍵的啟承作用。現代控制理論被廣泛應用于現代工業生產，對我國工業化以及軍工領域起了非常重要的作用，特別是在工業制造領域、數控機床、機器人、自動生產線等[3]。因此，新時代下的《現代控制原理》教學，應大力發展第二課堂，緊密結合行業背景。本文研究以“虛擬現實技術”為手段，緊密結合行業背景，激發學生自我學習能力、最終培養學生解決復雜工程的能力。

1 傳統《現代控制原理》課程教學存在的問題

《現在控制原理》課程的主要內容包括：（1）掌握動態系統狀態空間分析法和綜合法基本內容，包括動態系統的狀態空間描述、動態系統的定量分析（狀態方程的解）和定性分析（能控性、能觀測性、穩定性）、動態系統的綜合（狀態反饋與狀態觀測器設計）；（2）具備應用狀態空間理論的基本方法對控制系統建模、分析和綜合的能力，為在工程應用中分析、設計復雜的自動控制系統及進一步學習先進控制理論打下堅實基礎，并了解自動控制理論的發展現狀及發展方向。課程內容支撐的課程目標為：①培養學生建立動態系統狀態空間模型以及進行動態系統數學模型變換的能力，為分析、綜合動態系統打下基礎；②培養學生應用狀態空間理論的基本方法對控制系統分析和綜合的能力，為在工程應用中分析、設計復雜的自動控制系統及進一步學習先進控制理論打下堅實基礎；③使學生對自動控制理論的發展現狀及發展方向有全面的把握。

盡管上述《現代控制原理》課程目標已經強調“為在工程應用中分析、設計復雜的自動控制系統及進一步學習先進控制理論打下堅實基礎”，然而受限于學時等因素，僅僅依靠課堂教學往往較難實現上述目標。教師通過課后習題以及簡單仿真實驗增強學生對知識點的掌握，進而導致了學生在知識掌握上形成明顯的“碎片化”“機械化”“局部化”的效果。

1.1 學生動手能力差

課程內容較為理論化，導致傳統的《現代控制理論》重課堂輕實踐。課程內容過于抽象理論化，學生無法實現理論聯系實際；課程安排過于偏重教師課堂填鴨式教學，線下實踐學時較少，學生無法學以致用。

1.2 學生綜合系統開發能力差

《現代控制理論》課堂時間有限，教師在教學中引入行業實際生產案例連貫性差、碎片化，影響學生掌握知識的廣度和深度。

1.3 教學大綱缺乏復雜工程問題相關內容

作為自動化學科最為基礎的專業必修課程，傳統《現代控制理論》課程教學內容設置更注重理論基礎，在實踐環節一般配合倒立擺等簡單simulink仿真實驗，難以達到解決復雜工程問題的實踐效果。

2 依托“虛擬現實”改革內容

為解決上述問題，本文以“虛擬現實”為手段，致力于探索深入行業發展的第二實踐課堂，從而增強“教育產出”。控制理論課程是自動化專業及相關工科專業本科教學的專業基礎課，在專業課程體系中占有重要的地位。該類課程理論性很強，具有一定的工程背景，可培養學生分析、解決工程應用能力。但長期以來，由于理論性強、概念抽象，課程內開設的實驗基本上只是采用簡單的倒立擺系統、電路系統等驗證性實驗來完成。這使得學生缺乏應用控制技術解決復雜工程問題的能力，缺乏控制領域前沿科研知識，缺乏自主設計控制系統的能力，難以建立使用專業知識解決前沿問題的專業信心。這些使得目前的課程教學實驗已不能滿足對自動化及相關工科專業人才的培養要求，因此亟須引導學生了解并參與學科前沿課題，而復雜場景特高壓電網電力巡檢無人機飛行控制正是本學科的前沿科學問題之一。

特高壓電網建設是國家能源事業發展和保障國家能源安全的總體方略，電力巡檢則是保障電網輸電安全可靠運行至關重要的一環。在能源強國國家戰略的背景下，隨著高電壓等級輸電線路規模的日益增大，無人機電力巡檢具有極強的吸引力和挑戰性。除總里程數較長，我國電網分布具有地域廣泛、地形復雜、環境惡劣等特點。復雜的地形及環境因素致使輸電線路時刻面臨不可預測外力破壞的風險。無人機巡線是一種高效智能的巡檢方式，在電力巡檢中逐漸取代人工巡檢與有人直升機巡檢。無人機在軍民領域都有廣泛應用，在農藥噴灑、監視巡邏、通信中繼、電子對抗、環境評估、環境監測、交通救援、戰場攻擊、對目標模擬和預警等諸多軍事、民生領域具有廣泛的應用潛力，已經成為近年來各國航空領域的研究熱點。無人機的飛行控制技術是決定其能否在復雜巡檢環境中安全航行和準確完成任務的關鍵，具體涉及現代控制理論、通信技術、人工智能等核心課程。本文基于虛擬現實仿真實驗，利用現代信息化技術，構造高真實感的具有“復雜性、多變性和隨機性”的電力巡檢環境和真實的無人機模型為教學環境，建立全方位、多層次的《復雜場景電力巡檢無人機飛行控制仿真實驗》，與《現代控制原理》課堂理論教學形成優勢互補。

在復雜環境下遠距離大規模電力巡檢作業，無人機巡檢具有靈活度高、精細作業能力強、安全、高效、低成本等特點。以我國南方電網為例，全網架空輸電線路東西跨度2000公里，海拔跨度4300米，其中80%以上線路位于遠離城鎮、遠離交通干線、人煙稀少的高山大嶺地區。無論在高山大嶺環境還是物理實驗室進行上述基本問題的實驗，都會面臨如下困難與風險：（1）實驗環境復雜、危險。（2）無人機操控具有一定危險性。因此，對復雜場景電力巡檢無人機飛行控制系統進行基于虛擬仿真的場景再現和實驗過程模擬具有非常重要的教學價值和工程技術意義。

《復雜場景電力巡檢無人機飛行控制仿真實驗》以真實高山大嶺地區無人機巡檢場景為參照，基于實際工程案例與數據，采用數字化、信息化、多媒體、虛擬現實等先進技術，針對傳統實驗教學中難以開展的實驗課題，構建大范圍復雜環境下無人機巡檢涉及的導航/航姿控制、通訊以及圖像處理等虛擬裝置，實驗模型與教學軟件系統，使實驗過程能夠重現無人機巡檢中裝置、模型工作原理及各種物理過程，采用多種教學方法與多媒體技術融合，使得學生可通過仿真教學軟件的操作與使用，學習、理解和掌握多種飛行器結構、工作原理；理解和掌握現代控制原理在無人機自主巡檢下的實際應用；通過交互式實驗教學，學生可以自主安排和設計部分實驗環節，培養學生的獨立自主的思維方式和創新設計能力。

在以往的實驗實踐教學中，學生在動手操作前，只有理論方面的抽象概念，基本沒有工程實踐經驗，缺乏具體的認知，導致學生進入實訓現場后存在無從下手的情況，需要依靠教師的反復講解示范，儀器設備的安全操作具有一定的危險性，很多實踐環節甚至出現了學生走馬觀花走過場的現象。引入虛擬現實實驗，可使理論概念與實驗實踐較好的銜接起來。

2.1 虛擬現實技術在教學科研實踐中的必要性

“復雜場景電力巡檢無人機飛行控制實驗室”模擬無人機在大范圍復雜環境下高壓輸電線路巡檢作業，實驗環境具有高危、極端的特點，同時實驗設備成本高昂。傳統教學實驗室難以通過物理設備模擬實現，且無人機的飛行原理復雜、操控要求嚴格，學生實踐操作具有很強的危險性；無人機在高山大嶺中復雜的飛行狀態難以在實驗實踐中重現，學生感性認識度低；同時，由于實驗環節多、實驗成本高昂等各種客觀因素，傳統實驗限制了學生的實踐機會，教學效果不理想。

2.2 虛擬現實技術對教學內容的改進

“復雜場景電力巡檢無人機飛行控制”是一門綜合性很強的實驗，它集飛行力學、現代控制原理、通訊技術、模式識別等先進技術為一體，依靠單純的講解很難令學生快速并充分理解教學內容。在教學中運用虛擬現實的技術手段，讓學生能從三維角度觀察裝備構造，聲、像、形結合，透視與剖切并用，通過觀察三維模型的運動理解裝備工作原理。實現從“一維”到“多維”、從被動接受到主動探索的學習轉變。將虛擬現實實驗作為《現代控制理論》等課程的補充，在豐富教學內容的同時極大提高學生學習熱情與效率。

2.3 虛擬現實技術對學生創新精神的激發

通過虛擬仿真實驗綜合飛行控制、任務規劃、導航控制、實時通訊、圖像處理等系列專業知識與技術，依托新工科對數值建模能力的培養，強化學生對復雜環境下無人機導航制導的復雜工程問題內涵與意義的理解，學會對理論、機理、現象關聯性的探究，提高對不同干擾條件下、不同最優目標下的抗干飛行控制算法、任務規劃、通訊時延、圖像識別等問題解決的綜合能力。

圖1：復雜場景電力巡檢無人機飛行控制VR仿真平臺

將虛擬現實技術引入“復雜場景電力巡檢無人機飛行控制”工程實訓教學中，利用計算機、顯示系統、交互系統來構建復雜巡檢虛擬環境。學生可以在虛擬現實環境下對飛行器模型、通訊模塊進行設計、拆裝、維修等操作，使學生完全沉浸于學習過程中，激發學生學習的興趣和熱情。采用虛擬現實技術的現代教學手段，將無人機巡檢中的主要干擾現象在虛擬現實環境中模擬出來，讓學生“直面”故障，學習印象深刻。

2.4 虛擬現實技術促進多學科交叉協同

復雜的生產實踐活動從來不是能夠依靠單一專業技術支撐。“復雜場景特高壓電網電力巡檢無人機飛行控制”實驗是一個復雜的系統性的實驗，其涉及自動化、計算機、通訊、電氣等多學科。傳統實驗教學受場地以及時間的限制，無法支持多學科學生交叉協作實踐。而虛擬現實技術突破了時間、場地、場景等各方面束縛，支持多人、多地域、多學科協同，極大促進多學科交叉互動，提高學生團隊協作以及解決復雜工程問題的能力。

3 虛擬現實仿真平臺建設

建設虛擬現實仿真實驗平臺，完善虛擬仿真實訓教學內容，以服務于自動化、人工智能等專業，打造《現代控制理論》第二課堂。如圖1所示該VR創新實訓實驗平臺依托虛擬現實支持局域網內近百人、廣域網內超過30人的協同教學。通過該模塊，能夠實現大規模VR教學、不同校區之間的集體授課以及跨學校的專業交流與跨學校的慕課教學。教師可以將復雜、抽象、難以到達等類型教學內容和場景在虛擬現實環境中呈現，學生可佩戴VR眼鏡跟隨教師的視角觀看相應的場景、學習相應的知識和操作方法。這種教學模式可以增強課堂教學效果，提升課堂教學效率，幫助學生從具體活動或情景中概括抽象出方法、經驗和規律，引導學生經驗總結和遷移，幫助其“再情景化”或再實踐。

4 培養成效

將《復雜場景電力巡檢無人機飛行控制仿真實驗》作為《現代控制理論》第二課堂，學生能夠直觀形象地感受無人機巡檢的復雜工程問題內涵與意義；可視化、互動地模擬無人機航姿控制中的復雜工程問題內涵與意義；可視化、動態化地模擬飛行器氣動原理、數學建模與關鍵參數，學生掌握現代控制理論在航姿控制中的實施效果。為培養學生解決復雜工程問題能力打下堅實的實踐基礎。