基于VR技术的无人机操控实训

李哲伦

摘要：本文以VR技术在高职院校无人机操控实训中的应用为研究核心，以上海民航职业技术学院航模社教学实践经验为基础，对VR技术在该类实训教学中的优势进行了论述;对VR技术在无人机操控实训中的教学方法进行了设计和实现，为其他院校开展同类实训提供参考。

关键词：VR技术;无人机操控实训;仿真环境

一、无人机操控实训现状

无人机飞行操控实训是无人机应用技术专业的基础课程，该课程的训练效果是后续专业课程如：无人机航测实训、无人机植保实训的必备保障。无人机操控实训在实际训练过程中也出现了一些问题：①受天气影响较大：外场训练一旦遇到大风天、雨雪天，实训难度增大甚至无法开展;②场地受限：以我院为例，学院紧邻浦东机场净空区，训练的高度和范围均受限;③安全问题：训练机基本为Ⅲ类或者Ⅳ类无人机，重量大、速度快，倘若初次参训学生手生失控，会有较大安全隐患。除此之外，还有训练强度不高、教员看管困难等其他问题。

二、VR技术在教学中的应用情况

虚拟现实（Virtual Reality-VR）技术，就是通过计算机技术产生电子信号，将其与各种输出设备结合，创建和实现虚拟世界体验的仿真技术，生成出模拟环境，并使用户沉浸其中。VR技术是计算机仿真技术的一种新形式，跟传统的仿真技术相比，VR技术的沉浸感更强烈，仿真效果更真实。在国际上，该技术不仅广泛应用在影视、游戏等娱乐领域，更被运用到制造、教育、文化、健康、商贸等各个行业，成为人们工作中必不可少的生产力。在教育行业，已有不少学校开始尝试将VR技术应用在航空机电设备维修实训、汽车发动机拆装实训等课程中。

三、VR技术在无人机操控实训中的教学设计

本文以学院航模社为样本，将二十名社员分为A、B两组，每组选取一名组长及三名助手开展无人机操控训练，A组采用VR模式，B组采用传统模式作为对照组。

3.1安全教育与应急处置

实训教学中，安全永远是第一位的。VR无人机操控实训作为教学上的探索，更应该把安全教育融入到课程中去。每天、每节实训都将通过VR短片向同学们讲解安全注意事项和应急处置方法，以及相关警示案例。

3.2实训任务布置

第一组全程通过VR授课形式进行训练，第二组以传统实训授课形式进行训练，实训结束后采用相同的标准进行考核，比较两种模式下学生技能掌握的情况。

3.3实训过程

实训中严格按照授课计划开展教学;学生严格按照教师要求进行训练，遵循循序渐进，先易后难的原则依次训练，严禁违规操作[1]。

3.4课后检查

實训结束后，按照民航工作标准对实训设备与器材进行检查;每组由组长负责，分工开展整理、收纳，并对实训场地按照“6S”标准进行清理。

3.5教师考核与小组对比分析

实训结束后，采用相同的考评标准进行考核，评判实训效果并分析其异同。

四、VR仿真无人机操控实训教学的实现

4.1VR无人机操控环境的实现

本文采用Pacelab WEAVR软件环境，搭配HP图形工作站及Oculus Quest2组成的硬件系统来实现VR教学。VR无人机操控实训室包括以下三个主要组成部分：

①VR虚拟现实教室：该教室配备沉浸式的以及非沉浸式的虚拟培训设备，可供学生进行虚

拟训练;

②Pacelab WEAVR实验室：使用Pacelab WEAVR编辑器进行虚拟培训内容创建的实验室;

③Pacelab WEAVR服务器：是一个基于Web的模块，用于收集和分发使用Pacelab WEAVR软件创建的VR内容，并且支持多人协作;允许更多方用户共享相同的视图（沉浸式）并交换信息。

教师在STEAM平台上学习Unity 3D仿真环境的搭建，以及WYSWYG制作工具使用，基于软件提供的向导和库，创建由虚拟和混合现实增强的程序内容。

4.2VR无人机操控训练方案

教学对象为无人机操控初学者，笔者参考《无线电遥控模型飞机戴氏教学法——基础飞行训练》来编辑训练项目，依次为：（1）地面教学（2）飞行教学（3）起飞程序（4）飞机的调校（5）着陆准备（6）着陆组织（7）着陆（8）单飞。其中的主体为飞行教学，根据多旋翼无人机的特点，细化为八个步骤：

（1）定高移动训练;（2）方向控制训练;（3）对尾悬停训练;（4）八方位悬停训练;（5）360°自旋悬停训练;（6）矩形航线训练;（7）梅花航线训练;（8）匀速水平八字航线训练

以上飞行训练可通过限制每个动作的时间和精确度来提高练习的强度与难度。在完成前述练习后，结合前进、后退、向左平移、向右平移、上升、下降及旋转共七种基本操作，进行两两随机组合，产生诸如前进上升、平移上升、螺旋下降等多种飞行组合[2]，开展进阶训练，保证练习的延续性。

五、VR技术应用在无人机操控实训中的效果分析

相对于传统实训，VR仿真训练的手感和体验仍有差距，但VR技术的独特优势确保了恶劣天气下的持续训练，并且可以通过增加工位等方法提高效率;在师生比不变的情况下，大幅提高单位学生的训练时间。

在实验过程中，也发现了VR实训教学的一些问题：

（1）教师控场能力[3]

VR技术的沉浸感能够有效提升实训体验，但容易让学生沉迷其中，这对教师的控场能力提出了更高的要求。教师需要在虚拟仿真教学中加入沟通与交流环节，随时接收学生的反馈，适时通过软件的第三视角功能查看学生的练习状况及进度，及时指导与提示，强化对仿真实训过程的把控，确保无人机操控实训的效果与质量。

（2）正确认识虚拟与现实的关系

VR技术能让学生身临其境地感受训练场地、项目，并且师生可以实时交互，但虚拟与现实终究还是有差异的。VR技术只是一种辅助教学的手段，实训效果的决定性因素仍是教师的教学方法以及学生的训练强度。

（3）健康监测

长时间的VR训练不可避免地将对眼睛造成压力，因此VR仿真实训在设计和实施的过程中，一定要注意虚实结合，科学合理地分配时间，穿插理论指导和演示，确保学生的身心健康。

六、结语

VR作为一个新兴技术，已被运用到国民经济的诸多领域，对于教育行业，它的使用和推广也是必然。基于VR技术的无人机操控实训不仅提高实训教学效率，让实训教学不再受气象和场地等因素的限制;而且凭借其低风险和沉浸感强两大独特优势，较好地弥补了传统实训的一些不足。

参考文献：

[1]万飞 基于 VR 虚拟模拟教学在高职院校发动机拆装实训教学应用中的研究[J].时代汽车，2022，（02）：64-65.

[2]朴清柔 无人机航拍实训教学基础飞行练习手法研究[J].电子元器件与信息技术，2021，5（10）：146-147.

[3]尚金龙 VR技术在航空机电设备维修实训中的应用研究[J].内燃机与配件，2022，（01）：238-240.