虚拟仿真技术在无人机相关专业教学中的应用

谭智诚 刘春燕 姚钘

摘 要 近年来，无人机技术迅猛发展，广泛应用于航空、军事、农业、环境监测等领域，被认为是当今科技领域最重要的创新。随着无人机市场的蓬勃发展，对无人机相关专业人才的需求日益增加，但传统教学方法无法满足学生对无人机技术全面理解和实践操作的需求。在此背景下，虚拟仿真技术作为新兴的教学手段，为无人机相关专业的教学提供了全新的可能性。通过虚拟仿真技术，学生可以在安全的环境中模拟各种无人机操作，深入理解无人机的工作原理和操作技巧，为未来职业生涯做好充分准备。

关键词 虚拟仿真技术；无人机；专业教学；无人机通信技术

中图分类号：G642                           文献标识码：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

随着科技的发展，无人机技术在各领域得到广泛应用。为培养更高水平的无人机专业人才，教育体系需要不断创新，紧跟技术发展趋势。在这一背景下，虚拟仿真技术作为高效的教学手段，逐渐引起了教育界的关注。本文将探究虚拟仿真技术在无人机相关专业教学中的实践应用，以期为未来教学改革提供有益的经验。

1  VR技术在无人机相關专业教学中的应用

在当前的教育背景下，虚拟现实（VR）技术在无人机教学中的应用具有重大意义。VR技术能够为学生提供沉浸式学习体验，这对于其理解复杂的无人机操作和飞行原理至关重要。通过模拟不同的飞行环境和条件，学生可以在安全的虚拟环境中进行实践，降低了实际操作中可能出现的风险，也减少了因使用真实无人机而产生的成本。教育系统正面临着提升学生创新能力和实践技能的挑战，而VR技术能提供更加多样化和创新的教学方法，让学生在模拟的真实环境中学习无人机的设计、维护和应用，此种互动式学习方式能激发学生的兴趣，提高他们解决实际问题的能力。随着无人机技术的广泛应用，VR技术在教学中的应用可以帮助学生更好地适应这些不断变化的需求，为其将来在无人机相关行业的就业打下坚实的基础。

2  虚拟仿真技术的应用策略

2.1  飞行模拟

飞行模拟作为无人机专业教学的主要应用方向，此过程能体现虚拟仿真技术的深刻融入，借助应用飞行模拟软硬件设备，能让学生沉浸于虚拟环境，展开多样化的飞行任务模拟训练。就飞行模拟这种训练方式而言，其全面覆盖各种飞行场景和复杂条件，包括但不限于起飞、着陆、飞行路径规划以及飞行器性能测试等关键技能。

2.2  任务仿真

通过虚拟仿真技术精准还原真实任务场景，可以为无人机专业学生提供在虚拟环境中完成具体任务的全方位体验。在无人机领域的专业教学中，任务仿真的广泛应用囊括了搜索与救援、航拍摄影、物流运输、5G通信组网等多样化的任务类型。通过虚拟仿真平台，学生深入参与任务规划、目标定位、飞行路径设计等关键操作，同时直面模拟环境中的飞行挑战和情景应变。实战仿真既能有效实现知识理论的转化，也能为学生提供在安全环境中锻炼应用能力的机会。此外，任务仿真的独特之处在于其强调实践性，将学生从理论中解放，置身于具体的操作环境，其中模拟环境安全性能使学生在不断重复实际操作中完善技能，从而更自信地应对真实任务的挑战。

2.3  场景模拟

场景模拟是利用虚拟仿真技术模拟真实飞行环境和场景的教学战略，借助地理信息系统和三维建模技术，精准创造真实地形、建筑物和气候条件等模拟场景，在虚拟模拟的基础上，学生能进行逼真的飞行操作，深刻感受不同地区的飞行特点和挑战。场景模拟的优势在于它提供了多样化的训练场景，为学生创造了丰富的学习体验，让学生能在模拟中接触到各种真实的飞行场景，包括但不限于山脉、城市、复杂气候条件等，从而更好地了解并适应不同的飞行环境。借助此种训练，学生不仅能提高对不同地区地形和气象的认知，还培养了在多变条件下飞行的实际技能。

3  虚拟仿真技术对学习效果的影响

3.1  认知能力提升

虚拟仿真技术为学生提供了高度真实的实践体验，使其能够在虚拟环境中进行实际操作和决策，开创了一种深入学习的方式，学生经过亲身体验后，很大程度上提升了认知能力，深化了对飞行原理、气象条件和飞行器性能等知识的理解，同时也锻炼了实际操作和决策制订的技能。通过不断重复练习和模拟训练，可以帮助学生建立起坚实的基础知识体系，使其在实际操作中能够更加熟练、迅速地应对各种情境。这样的学习方式不仅提高了学生对无人机技术的实际应用水平，还为学生未来进入工作岗位提供了更为丰富的实战经验。更重要的是，虚拟仿真技术通过模拟各种复杂场景，使学生能在相对安全的环境中面对挑战，从而更好地培养问题解决、临场应变和决策制订的能力。

3.2  技能掌握提升

虚拟仿真技术为学生提供了安全可控的实践机会，成为一种独特的学习平台，让学生能够在虚拟环境中进行反复的飞行操作和训练。这种安全的学习环境为学生提供了理想的实践场所，使其能专注于技能的磨炼和知识的深化。通过虚拟仿真训练，学生能渐进式地掌握飞行器的操作技巧、飞行路径规划以及飞行器性能调整等关键技能。学生能在虚拟环境中进行多次实践，调整和改进自己的操作方法，不断提高技能水平。循序渐进的学习过程使学生更加自信地面对复杂的飞行任务，同时增加了学生在实际飞行中应对不同情况的能力。

3.3  问题解决能力增强

虚拟仿真技术不仅模拟了各种复杂的飞行场景和挑战，还让学生在虚拟环境中面对多样的问题和难题，迫使学生迅速地制订决策和解决方案。学生可以在虚拟环境中分析和评估问题，找到最佳的解决方案，且不用担心实验造成的负面影响，从而得以全面锻炼和提高解决问题的能力。学生在虚拟仿真中不仅需要具备理论知识，还需要将这些知识应用到具体情境中，迎接实际挑战。学生必须迅速做出决策，考虑各种因素，找到创新性的解决方案，使得飞行操作更为娴熟，也使其在解决实际问题时更具应变能力。

4  虚拟仿真技术对技能培养的作用

4.1  操作技巧改善

通过虚拟仿真平台，学生能进行反复的训练，不断完善自己的操作技巧。这种实践中的反复训练不仅有助于学生逐步纠正错误，提高对飞行器控制的熟练度，还使学生能够更快速地应对各种复杂情境。学生在虚拟环境中不受实际飞行的风险和限制，更为自由地进行大量的操作练习，从而为迎接真实的飞行任务做好准备。反复训练的过程不仅是为了提高操作的技术水平，也是为了改善学生的操作技巧。学生通过虚拟仿真平台，能深入分析自己的操作方法，找出其中的不足之处进而改进和优化，培养了学生对问题的敏感性和主动改进的意识。

4.2  团队协作能力提升

在无人机操作中，团队合作能力被视为不可或缺的重要因素。虚拟仿真技术为这一需求提供了理想的培训平台，通过模拟多人协同操作场景，让学生在虚拟环境中进行团队协作训练。这便要求学生相互配合、分工合作，共同完成复杂的飞行任务。这种实践不仅使学生在协同工作中更为默契，也培养了学生在团队中的领导能力和解决问题的能力。团队协作能力的提升将对学生日后面对实际飞行任务和项目合作产生积极的影响。学生通過虚拟仿真技术开展团队协作训练，能够更好地适应复杂的工作环境，应对团队协作和项目管理的挑战。

5  数据模拟仿真教学案例

为给VR技术在无人机相关专业教学中的作用进行实践探究取证，笔者设计了一个具有参考性的案例进行补充说明：①参数初始化：设定无人机的基本参数，风速：5米/秒；飞行高度：100米；飞行速度：10米/秒；电池容量：4500mAh；飞行时间：30分钟。②环境设定：模拟仿真环境按照高德地图2022版进行参考。地点选择重庆主城区，相关环境变量均还原重庆，其中飞行模拟在设定的环境中模拟无人机的飞行，记录其表现（如飞行稳定性、电池消耗速率等）。为进行数值模拟，借助当前主流的VR技术生成基于上述参数的模拟数据，相关数据将反映无人机在不同环境条件下的表现。数据具有逻辑性和真实感，但请注意，相关数据是为了演示目的而生成的，并非基于真实世界的无人机性能，但符合具体的VR技术实际应用。

首先对无人机的功率进行相关的调整计算，由于当前的虚拟仿真技术并未能实现非线性的过程规划和计算，因此我们借助经典力学当中的能耗计算公式：

运用上述公式进行计算有几个前提：①功率与飞行速度和风速呈现线性关系（前面提到过，当前VR技术难以实现非线性的路径规划）。②假定基础功率与风速之间的函数关系为式（2），同时风速基础点为5m/s，会伴随模拟场景的变化，在区间[5，10]之间发生基础变化，其中v为风速，P为功率，t为时间，其中P_0=200w，k=5m/s。借助上述基础参数数据，我们不难计算出相关功率、能耗以及总能耗，模拟了无人机在不同环境（城市、乡村、山区）下的飞行表现。

模拟设定无人机重量1.5kg，电池容量4500mAhm。无人机在风速5.49km/h，温度19.07癈的城市环境下，飞行效率为0.65，电池寿命为0.49h，飞行距离为43.58km；在风速为7.15km/h，温度14.83癈的乡村环境下，飞行效率为0.58，电池寿命为0.32h，飞行距离为39.35；在风速为6.03km/h，温度22.61癈的山区环境下，飞行效率为0.62，电池寿命为0.4h，飞行距离为39.35km。

根据模拟结果可知，数据对无人机的飞行效率、电池寿命和飞行距离有显著影响。例如，在城市环境中，由于相对较低的风速，无人机的飞行效率较高，从而使得电池寿命较长，飞行距离也较远。相比之下，在乡村环境中，较高的风速导致飞行效率降低，因此电池寿命较短，飞行距离也减少。

6  结语

虚拟仿真技术在无人机相关专业教学中的应用策略，对学习效果以及技能培养都具有重要的影响意义。通过合理的应用策略，学生能获得高度真实的实践体验，提高学习效果和技能水平。然而，虚拟仿真技术的应用仍面临一些挑战，如模拟精度、设备成本和师资培训等方面。未来的研究和实践需要进一步探索和完善虚拟仿真技术的应用方法和策略，以更好地满足学生的需求，提高教学质量。

*通讯作者：刘春燕

基金项目：广西高等教育本科教学改革工程项目（2023JGA346）；广西高等教育本科教学改革工程项目（2023JGB404）。

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