虚拟仿真技术在无人机相关专业教学中的应用研究

梁婷 刘龙龙

摘 要：针对无人机价格相对较贵，零部件易损坏，很多院校的无人机设备数量有限，空域限制，学生无人机外业操控经验缺乏，无人机系统复杂性及外业环境的不稳定性等问题，本文提出一套既针对以上风险问题又革新传统教学模式的新方案，充分发掘虚拟仿真技术，将其应用到无人机建模、飞行仿真验证等过程的教学中。本套虚拟仿真教学系统采用的实验设备有遥控器、飞控、电脑等实物产品，将先前建立的模型导入仿真系统进行飞行验证实验，沉浸式地感受逼真的飞行场景和可变的环境，实现与虚拟世界的交互融合，通过参数设置来模拟环境的变化，如环境可见度、降雨量、风和气流的设置等，提供第一人称视角、跟踪视角、实际作业视角等几种视角的随时切换，驾驶员可以在虚拟飞行器上模拟仿真驾驶真实飞行器的感受，并验证飞行器的设计质量。

关键词：无人机;仿真系统;虚拟现实;三维模型;气动模型

1 概述

我国无人机行业正迅猛发展，给社会带来生产效率的提升、生活方式的改变、行业技术的革新。无人机作为一种新业态，具有作业成本低、机动性好、生存能力强、高效灵活等特点，在军事领域的现代战争中占有极其重要的地位，如侦察机和靶机等，在民用领域已形成了“无人机+行业应用”的形势，将形成更加广阔的应用前景[1]。

高校紧跟科技时代进步的步伐，开设无人机相关专业为社会培养新型的技能人才，开设的无人机相关专业课程如：无人机模拟操控技术、无人机仿真技术、无人机航拍测绘技术等课程，基本都是一些理实一体化的课程，实践方面只有在实战化的教学氛围中，才有利于学生知识迁移。然而无人机价格较贵，零部件易损坏，很多院校的无人机设备数量有限，空域问题，学生无人机外业操控缺乏经验，无人机系统复杂性及外业环境的不稳定性，这些因素为无人机实践相关课程带来一定的风险。面对这些问题，亟须一套能够打破传统教学模式的教学改革技术，因此，本文提出一套既针对以上风险问题又革新传统教学模式的新方案，即基于虚拟仿真技术在无人机建模和飞行过程中的仿真教学方法。

2 虚拟仿真技术

在人类认识自然界客观规律的历程中，虚拟仿真技术一直被有效地应用。随着计算机技术的发展，虚拟仿真技术逐渐自成体系，不但成为继科学实验、数学推理之后，人类认识自然界客观规律的第三类基本方法，而且正在发展成为人类认识、改造和创造客观世界的一项战略性、通用性技术[2]。

虚拟仿真技术即虚拟现实加仿真，虚拟现实就是用虚拟的系统模仿另一个真实的系统，利用人机交互技术、多媒体技术、人工智能、传感器等技术集成，构成三维信息的人工环境—虚拟环境，得到逼真的虚拟现实世界的环境，学生在这种环境中，亲自操作遥控器，聽到电机带动螺旋桨旋转的声音，沉浸在飞行器随遥控器操控挡位变化产生姿态变化的氛围中，这种亲自操作的情境，会有“身临其境”的感觉，自然地与虚拟环境进行人机交互，具有沉浸性、交互性、虚幻性、逼真性等特点。

关于无人机虚拟仿真教学系统进行的相关研究，王建锋曾提出从大型飞行仿真器到MATLAB仿真，此类仿真系统均存在不少问题：比如飞行仿真器虽然能够构造比较真实的仿真环境，但整体价位较高，而且一旦建造成功功能就基本固定，适应性较差;利用VisualC++编写仿真演示系统，工作比较复杂;MATLAB仿真虽然比较方便，但仿真系统跟实际环境有很大差距，一般只考虑了飞行器的动力学模型，没有考虑飞行器本身的运动特性，对于飞行环境只是简单地模拟，真实性较差[3]。

XPlane软件是功能比较强大用于测试飞行的模拟软件，提供了比较真实的飞行器模型，软件根据模型来预测飞行器的性能和操控性，提供的环境真实度高、操作方便、可视化效果好。通过参数设置来模拟环境的变化，如环境可见度、降雨量、风和气流的设置等，提供第一人称视角、跟踪视角、实际作业视角等几种视角的随时切换，驾驶员可以在虚拟飞行器上模拟仿真驾驶真实飞行器的感受，并验证飞行器的设计质量。能够根据快捷键设置实时显示飞行器飞行轨迹，模拟仿真飞行器各螺旋桨的气流变化，记录和输出飞行器的飞行相关参数，如位置、速度、姿态角等飞行器的状态信息。

3 虚拟仿真技术在无人机建模和飞行过程中的仿真教学优势

3.1 以学生为中心，个性化培训

在实训课程中无人机及相关器件较一般课程的成本要高很多，学生人数较多，一般很难实现学生每人一套飞行器，而且无人机相关器件易损耗，高校对学生实训的成本很难满足条件[4，6]。而采用虚拟仿真技术在无人机建模和飞行验证的教学能得到开放的学习资源，不再受制于空域场地安全的问题，打破了空间与时间的限制，学生只要拥有电脑就能进行模拟实验。不会消耗器材，飞行器的仿真验证模型可以重复操作，修改参数重塑模型，降低了实验成本和设计成本[5]。特别是航空摄影测量、无人机驾驶技术、无人机集群控制等专业课程，对场地及设备和学生的操作相关性较强，虚拟仿真技术能够针对相关内容进行抽象概念的理解、理论及算法的掌握提供现实与虚拟世界的交互融合。

3.2 沉浸式学习，创新教学培训手段

虚拟仿真技术能够实现实训飞行器设备、飞行环境多变、飞行姿态感知和三维可视化场景等虚拟现实环境，部分无人机相关实训课程可以在这种虚拟现实的环境中完成实践任务。学生能够在这种沉浸式的教学模式中体验到因模型设计不合理而导致的炸机，因操作方式不规范而导致的坠毁[7]，从课题抽象概念和原理中理解相关参数的设置，由事后或经验的反馈提到了过程中的节点反馈，教师可实时跟进学生的仿真效果，监控和指导学生及时修正、规范操作，提升实践课堂的教学成效和探索欲。

4 无人机虚拟仿真教学系统的具体设计

无人机仿真教学主要包括仿真模块、飞行数据模块、通信模块、飞机模型库、纹理材质库等。仿真模块主要完成接收通信模块传来的飞行数据，从模型库导入飞行器模型、场景模型、声音模型，并对飞行器进行姿态和位置调整，驱动飞行器模型按照飞行数据在场景中进行模拟飞行。模型库为仿真系统提供飞行模型，包括飞行器模型、场景模型、建筑物模型、声音模型等，其中飞行器模型最为重要。并从材质纹理库读取纹理介质，将纹理介质贴于飞行器或场景表面，使模型更加美观、逼真，材质纹理库为模型库中的各种模型的表面提供纹理介质。

飞行数据模块中的数据可以来自实时的飞行数据，也可以来自飞行动力学模型的模拟数据，或者离线的外部数据。

通信模块负责飞行数据与仿真模块之间的通信，本次采用遥控器、飞控和计算机通过数据线连接实现，飞行数据模块作为客户端，仿真模块作为服务端。在数据链路层还可以使用循环冗余校验码对飞行数据进行检验。

4.1 无人机平台设计

为了更加深入地学习某种机型，让学生参与到多旋翼无人机整个设计过程，从总体参数设计开始，多旋翼各部分重量核算出动力系统的总拉力和巡航总功率，再进行动力分摊选择平台的气动布局，优先选择X型4旋翼或X型6旋翼。动力组的选型，从上面核算的总巡航拉力和总巡航功率着手，优先选择高电压、小电流的电源模块，根据每个支臂上的功率和动力冗余去选择电机、电调和螺旋桨，进而可以设计出飞行平台的相关尺寸，比如水平尺寸、脚架高度等。

4.2 无人机三维建模

学生在前序课程CAD的基础上学习solidworks三维建模软件的任务变得轻车熟路，将整个四旋翼无人机模型分成四大零件模块，分别是电机、中心版、脚架、海绵保护装置。将设计的四旋翼无人机各部位零件定型，确定的尺寸赋值到零件的尺寸绘制零件三维模型。最后将三维零部件装配，完成四旋翼无人机的整体三维模型建模过程。

4.3 无人机气动建模

本系统无人机的气动模型是由PlaneMaker制作完成，其中PlaneMaker是与XPlane捆绑在一起的程序，它可以让用户设计出想要的飞机，通过输入飞机的所有物理参数，如重量、机翼展长、控制偏差、发动机功率、机翼截面等。之后，XPlane仿真器将预测该飞机在现实世界中的飞行方式。

PlaneMaker的基本建模思想是在建模时需要有各部件位置信息和自身形状参数。以多旋翼无人机建模为例，首先需要进行机身建模，需要输入机身数据、机身位置、机身各截面参数。支臂的设计、脚架的设置包括尺寸和位置，螺旋桨的外形、尺寸、位置以及每个螺旋桨的转向设置，螺旋桨的颜色配置等。需要设置发动机的规格、马力，多旋翼无人机的起飞重量、空机重量，空速设置。为了避免多旋翼无人机模型起飞前螺旋桨的方向转向错误，可先以低速转动螺旋桨，观察各桨的旋转方向。

虽然Plane Maker非常适合进行飞机模型的设计，而且模型可靠且易于使用，但它不是专业的3D建模软件，它仅用于布置飞机的基本空气动力学形状和特性，得出的模型看起来还不错，但效果并不太理想。Plane Maker无法制作3D座舱所需的复杂模型，也无法创建整个飞行器详细的高度模型，以覆盖从中计算飞行物理的基本模型，当然也可以使用AC3D建立3D模型再次导入进去。

4.4 三维实景建模

无人机虚拟仿真系统教学中，三维实景为整个仿真过程增添了丰富而逼真的场景，特别是具有任务性的飞行场景，如电力巡检、植保等特殊行业需要穿越障碍的场景，通过地形、地貌、建筑物等三维实景建模，或从丰富的地景数据库中直接调用场景，为学生提供逼真的场景信息和模型。通过观察视角和漫游路径的可调节，增加无人机仿真系统的真实感和准确性。

4.5 系统虚拟仿真飞行模块

本套虚拟仿真教学系统采用的实验设备有遥控器、飞控、电脑等实物产品，搭配虚拟仿真软件就可以将先前建立的模型导入仿真系统进行飞行验证实验，利用軟件仿真系统半实物模拟仿真。

执行xplane虚拟仿真飞行的时候，学生可以从检查所有控制舵面的运动开始，通过虚拟仿真再到掌握现实版飞机的丰富经验，感觉各控制舵面或摇杆的操作是怎样的。进行试飞之后，学生能够及时得到反馈，目标是能够回到Plane Maker中查找模型需要改进的地方，并按照引导及时修改，让模型能够符合实际性能。假设由于某种原因，飞机转弯时感觉比较迟钝，可以尝试增加控制舵面的面积，让模型的舵面和实际控制舵面相匹配，这不是改变飞机飞行特性的途径，舵面面积不仅表示可以影响平面转动方式的变量，还必须与真实飞机的设计一致，若增加舵面面积偏离现实，则可能改善了这个问题又出现新的问题。

4.6 飞行环境设置

民用无人机飞行环境主要在对流层区域，由于受地表影响较大，对流层的气象要素（气温、湿度等）的水平分布不均匀，空气有规则的垂直运动和无规则的乱流混合都相当强烈，容易成云致雨，对流层的天气比较复杂多变。通过仿真系统的环境配置云、雨、雾、雪等极端天气，学生能在多感知一体化的学习环境中感受极端天气对飞行器性能的影响。不同环境下感受飞行器模拟气流的变化，有助于学生对课题中较为抽象的概念和原理的理解，增强学习兴趣和激发创造性。

5 总结与展望

本文根据高校办学特色和教学条件，为缓解实验教学成本大、质量差、效率低、风险高等问题，提出虚拟化实验实践教学新模式，形成“虚实结合”的实验教学的新格局。本文提出的无人机虚拟仿真教学系统，建立了完整的四旋翼无人机三维模型、气动模型，在Xplane仿真环境下设计虚拟仿真教学平台。通过仿真技术模拟出飞行器设计建模、气动特性、过程验证、飞行操纵等环节的原生态，提供了较真实的实验环境。解决了传统教学中培训成本高、过程风险高等现实性问题。实践表明，虚拟仿真软件一定程度上巩固了教学效果，消除了实验潜在风险，节约了耗材支出，达到提高教学效率和效果的目的。主要表现在如下方面：

5.1 四旋翼无人机建模

旋翼无人机结构和布局较为简单，作为学生的入门学习基础，从飞行器总体参数设计到飞行平台的设计，其中飞行平台设计包括平台气动布局选择、动力组选型、电池的选择、平台重要尺寸的确定等多环节的学习。将设计实现模型的转化，建立完整的四旋翼无人机模型。

5.2 虚拟仿真系统平台构建

为了仿真效果更加直观，采用XPlane作为飞行模拟器，因为它提供了出色的飞行模型、三维景观、出色的图形、流畅的帧速率以及逼真的天气和照明。在仿真过程中更加直观地观察模型的飞行性能和评估控制系统的控制效果。

随着5G时代的到来，人工智能及信息化技术的进步和发展，虚拟仿真实验教学将成为新时代教育改革的一项重要举措，无人机虚拟仿真系统具有巨大的发展潜力，沉浸式的教学方式，激发学生的积极性和探索欲，实训流程从灵活和个性化的方面开展，达到了较好的教学效果[8]。另一方面，虚拟仿真系统的运行对设备及显示性能的要求高，目前仍存在需要改进之处，比如，学生参与开发性设计的环节和探索性实验仍需要不断继续完善和探索，以期实现高质量信息化虚拟仿真实验教学，推进教学改革和人才培养新模式的探索。

参考文献：

[1]徐鉴民，刘双童.基于VR技术的无人机飞行仿真系统在教学中应用研究[J].电脑知识与技术，2021，17（15）：155157.

[2]许才顼，贺杰.虚拟仿真技术在电路板制作实验教学中的应用与实践[J].电子基础，2021，2：8991.

[3]王建锋，李荣冰.基于XPlane的小型无人机导航仿真系统的分布式设计与实现[J].系统仿真技术，2010，6（2）：134139.

[4]谢迪.无人机三维视景仿真系统的设计与实现[J].高科技产品研发，2015：3638.

[5]程思寧，耿强.虚拟仿真技术在电类实验教学中的应用与实践[J].实验技术与管理，2013，30（7）：9497.

[6]李贵，徐春明.虚拟仿真技术在机械设计实验教学中的应用研究[J].中国现代教育装备，2021，8：2730.

[7]邓磊，段福洲.虚拟仿真实验教学模式探索以无人机航测综合实习为例[J].科技创新导报，2019（35）：234237.

[8]张敬南，张镠钟.实验教学中虚拟仿真技术应用的研究[J].实验技术与管理，2013，30（12）：101104.

基金项目：南京工业职业技术大学2020年高等职业教育校内教研课题（编号：GJ2024），课题名称：深化产教融合和校企合作——以南工无人机应用技术专业为例

作者简介：梁婷（1988— ），女，汉族，陕西人，硕士，工程师，研究方向：无人机人工智能;刘龙龙（1988— ），男，汉族，湖南娄底人，硕士，工程师，研究方向：航空发动机。