虛擬仿真技術在無人機相關專業教學中的應用

譚智誠 劉春燕 姚钘

摘 要 近年來，無人機技術迅猛發展，廣泛應用于航空、軍事、農業、環境監測等領域，被認為是當今科技領域最重要的創新。隨著無人機市場的蓬勃發展，對無人機相關專業人才的需求日益增加，但傳統教學方法無法滿足學生對無人機技術全面理解和實踐操作的需求。在此背景下，虛擬仿真技術作為新興的教學手段，為無人機相關專業的教學提供了全新的可能性。通過虛擬仿真技術，學生可以在安全的環境中模擬各種無人機操作，深入理解無人機的工作原理和操作技巧，為未來職業生涯做好充分準備。

關鍵詞 虛擬仿真技術；無人機；專業教學；無人機通信技術

中圖分類號：G642?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.8.021

The Application of Virtual Simulation Technology in the Teaching

of UAV Related Majors

TAN Zhicheng， LIU Chunyan， YAO Xing

（Guilin University of Aerospace Technology， Guilin， Guangxi 541004）

Abstract In recent years， UAV technology has developed rapidly and is widely used in aviation， military， agriculture， environmental monitoring and other fields， which is considered the most important innovation in today's technology field. With the booming development of the drone market， the demand for UAV related professionals is increasing. However， traditional teaching methods cannot meet the needs of students for a comprehensive understanding and practical operation of drone technology. In this context， virtual simulation technology， as an emerging teaching method， provides new possibilities for the teaching of drone related majors. Through virtual simulation technology， students can simulate various UAV operations in a safe environment， gain a deep understanding of the working principles and operating skills of UAV， and be fully prepared for their future career.

Keywords virtual simulation technology; UAV; professional teaching; UAV communication technology

隨著科技的發展，無人機技術在各領域得到廣泛應用。為培養更高水平的無人機專業人才，教育體系需要不斷創新，緊跟技術發展趨勢。在這一背景下，虛擬仿真技術作為高效的教學手段，逐漸引起了教育界的關注。本文將探究虛擬仿真技術在無人機相關專業教學中的實踐應用，以期為未來教學改革提供有益的經驗。

1? VR技術在無人機相關專業教學中的應用

在當前的教育背景下，虛擬現實（VR）技術在無人機教學中的應用具有重大意義。VR技術能夠為學生提供沉浸式學習體驗，這對于其理解復雜的無人機操作和飛行原理至關重要。通過模擬不同的飛行環境和條件，學生可以在安全的虛擬環境中進行實踐，降低了實際操作中可能出現的風險，也減少了因使用真實無人機而產生的成本。教育系統正面臨著提升學生創新能力和實踐技能的挑戰，而VR技術能提供更加多樣化和創新的教學方法，讓學生在模擬的真實環境中學習無人機的設計、維護和應用，此種互動式學習方式能激發學生的興趣，提高他們解決實際問題的能力。隨著無人機技術的廣泛應用，VR技術在教學中的應用可以幫助學生更好地適應這些不斷變化的需求，為其將來在無人機相關行業的就業打下堅實的基礎。

2? 虛擬仿真技術的應用策略

2.1? 飛行模擬

飛行模擬作為無人機專業教學的主要應用方向，此過程能體現虛擬仿真技術的深刻融入，借助應用飛行模擬軟硬件設備，能讓學生沉浸于虛擬環境，展開多樣化的飛行任務模擬訓練。就飛行模擬這種訓練方式而言，其全面覆蓋各種飛行場景和復雜條件，包括但不限于起飛、著陸、飛行路徑規劃以及飛行器性能測試等關鍵技能。

2.2? 任務仿真

通過虛擬仿真技術精準還原真實任務場景，可以為無人機專業學生提供在虛擬環境中完成具體任務的全方位體驗。在無人機領域的專業教學中，任務仿真的廣泛應用囊括了搜索與救援、航拍攝影、物流運輸、5G通信組網等多樣化的任務類型。通過虛擬仿真平臺，學生深入參與任務規劃、目標定位、飛行路徑設計等關鍵操作，同時直面模擬環境中的飛行挑戰和情景應變。實戰仿真既能有效實現知識理論的轉化，也能為學生提供在安全環境中鍛煉應用能力的機會。此外，任務仿真的獨特之處在于其強調實踐性，將學生從理論中解放，置身于具體的操作環境，其中模擬環境安全性能使學生在不斷重復實際操作中完善技能，從而更自信地應對真實任務的挑戰。

2.3? 場景模擬

場景模擬是利用虛擬仿真技術模擬真實飛行環境和場景的教學戰略，借助地理信息系統和三維建模技術，精準創造真實地形、建筑物和氣候條件等模擬場景，在虛擬模擬的基礎上，學生能進行逼真的飛行操作，深刻感受不同地區的飛行特點和挑戰。場景模擬的優勢在于它提供了多樣化的訓練場景，為學生創造了豐富的學習體驗，讓學生能在模擬中接觸到各種真實的飛行場景，包括但不限于山脈、城市、復雜氣候條件等，從而更好地了解并適應不同的飛行環境。借助此種訓練，學生不僅能提高對不同地區地形和氣象的認知，還培養了在多變條件下飛行的實際技能。

3? 虛擬仿真技術對學習效果的影響

3.1? 認知能力提升

虛擬仿真技術為學生提供了高度真實的實踐體驗，使其能夠在虛擬環境中進行實際操作和決策，開創了一種深入學習的方式，學生經過親身體驗后，很大程度上提升了認知能力，深化了對飛行原理、氣象條件和飛行器性能等知識的理解，同時也鍛煉了實際操作和決策制訂的技能。通過不斷重復練習和模擬訓練，可以幫助學生建立起堅實的基礎知識體系，使其在實際操作中能夠更加熟練、迅速地應對各種情境。這樣的學習方式不僅提高了學生對無人機技術的實際應用水平，還為學生未來進入工作崗位提供了更為豐富的實戰經驗。更重要的是，虛擬仿真技術通過模擬各種復雜場景，使學生能在相對安全的環境中面對挑戰，從而更好地培養問題解決、臨場應變和決策制訂的能力。

3.2? 技能掌握提升

虛擬仿真技術為學生提供了安全可控的實踐機會，成為一種獨特的學習平臺，讓學生能夠在虛擬環境中進行反復的飛行操作和訓練。這種安全的學習環境為學生提供了理想的實踐場所，使其能專注于技能的磨煉和知識的深化。通過虛擬仿真訓練，學生能漸進式地掌握飛行器的操作技巧、飛行路徑規劃以及飛行器性能調整等關鍵技能。學生能在虛擬環境中進行多次實踐，調整和改進自己的操作方法，不斷提高技能水平。循序漸進的學習過程使學生更加自信地面對復雜的飛行任務，同時增加了學生在實際飛行中應對不同情況的能力。

3.3? 問題解決能力增強

虛擬仿真技術不僅模擬了各種復雜的飛行場景和挑戰，還讓學生在虛擬環境中面對多樣的問題和難題，迫使學生迅速地制訂決策和解決方案。學生可以在虛擬環境中分析和評估問題，找到最佳的解決方案，且不用擔心實驗造成的負面影響，從而得以全面鍛煉和提高解決問題的能力。學生在虛擬仿真中不僅需要具備理論知識，還需要將這些知識應用到具體情境中，迎接實際挑戰。學生必須迅速做出決策，考慮各種因素，找到創新性的解決方案，使得飛行操作更為嫻熟，也使其在解決實際問題時更具應變能力。

4? 虛擬仿真技術對技能培養的作用

4.1? 操作技巧改善

通過虛擬仿真平臺，學生能進行反復的訓練，不斷完善自己的操作技巧。這種實踐中的反復訓練不僅有助于學生逐步糾正錯誤，提高對飛行器控制的熟練度，還使學生能夠更快速地應對各種復雜情境。學生在虛擬環境中不受實際飛行的風險和限制，更為自由地進行大量的操作練習，從而為迎接真實的飛行任務做好準備。反復訓練的過程不僅是為了提高操作的技術水平，也是為了改善學生的操作技巧。學生通過虛擬仿真平臺，能深入分析自己的操作方法，找出其中的不足之處進而改進和優化，培養了學生對問題的敏感性和主動改進的意識。

4.2? 團隊協作能力提升

在無人機操作中，團隊合作能力被視為不可或缺的重要因素。虛擬仿真技術為這一需求提供了理想的培訓平臺，通過模擬多人協同操作場景，讓學生在虛擬環境中進行團隊協作訓練。這便要求學生相互配合、分工合作，共同完成復雜的飛行任務。這種實踐不僅使學生在協同工作中更為默契，也培養了學生在團隊中的領導能力和解決問題的能力。團隊協作能力的提升將對學生日后面對實際飛行任務和項目合作產生積極的影響。學生通過虛擬仿真技術開展團隊協作訓練，能夠更好地適應復雜的工作環境，應對團隊協作和項目管理的挑戰。

5? 數據模擬仿真教學案例

為給VR技術在無人機相關專業教學中的作用進行實踐探究取證，筆者設計了一個具有參考性的案例進行補充說明：①參數初始化：設定無人機的基本參數，風速：5米/秒；飛行高度：100米；飛行速度：10米/秒；電池容量：4500mAh；飛行時間：30分鐘。②環境設定：模擬仿真環境按照高德地圖2022版進行參考。地點選擇重慶主城區，相關環境變量均還原重慶，其中飛行模擬在設定的環境中模擬無人機的飛行，記錄其表現（如飛行穩定性、電池消耗速率等）。為進行數值模擬，借助當前主流的VR技術生成基于上述參數的模擬數據，相關數據將反映無人機在不同環境條件下的表現。數據具有邏輯性和真實感，但請注意，相關數據是為了演示目的而生成的，并非基于真實世界的無人機性能，但符合具體的VR技術實際應用。

首先對無人機的功率進行相關的調整計算，由于當前的虛擬仿真技術并未能實現非線性的過程規劃和計算，因此我們借助經典力學當中的能耗計算公式：

運用上述公式進行計算有幾個前提：①功率與飛行速度和風速呈現線性關系（前面提到過，當前VR技術難以實現非線性的路徑規劃）。②假定基礎功率與風速之間的函數關系為式（2），同時風速基礎點為5m/s，會伴隨模擬場景的變化，在區間[5，10]之間發生基礎變化，其中v為風速，P為功率，t為時間，其中P_0=200w，k=5m/s。借助上述基礎參數數據，我們不難計算出相關功率、能耗以及總能耗，模擬了無人機在不同環境（城市、鄉村、山區）下的飛行表現。

模擬設定無人機重量1.5kg，電池容量4500mAhm。無人機在風速5.49km/h，溫度19.07癈的城市環境下，飛行效率為0.65，電池壽命為0.49h，飛行距離為43.58km；在風速為7.15km/h，溫度14.83癈的鄉村環境下，飛行效率為0.58，電池壽命為0.32h，飛行距離為39.35；在風速為6.03km/h，溫度22.61癈的山區環境下，飛行效率為0.62，電池壽命為0.4h，飛行距離為39.35km。

根據模擬結果可知，數據對無人機的飛行效率、電池壽命和飛行距離有顯著影響。例如，在城市環境中，由于相對較低的風速，無人機的飛行效率較高，從而使得電池壽命較長，飛行距離也較遠。相比之下，在鄉村環境中，較高的風速導致飛行效率降低，因此電池壽命較短，飛行距離也減少。

6? 結語

虛擬仿真技術在無人機相關專業教學中的應用策略，對學習效果以及技能培養都具有重要的影響意義。通過合理的應用策略，學生能獲得高度真實的實踐體驗，提高學習效果和技能水平。然而，虛擬仿真技術的應用仍面臨一些挑戰，如模擬精度、設備成本和師資培訓等方面。未來的研究和實踐需要進一步探索和完善虛擬仿真技術的應用方法和策略，以更好地滿足學生的需求，提高教學質量。

*通訊作者：劉春燕

基金項目：廣西高等教育本科教學改革工程項目（2023JGA346）；廣西高等教育本科教學改革工程項目（2023JGB404）。

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