基于理、实、虚一体化理念的无人机实训课程教学实践

基于理、实、虚一体化理念的无人机实训课程教学实践

蔡锦峰

（福建省龙岩市农业学校   福建省 龙岩市 364000）

摘要：无人机设备不仅技术复杂，而且造价昂贵，稍有差池就可能带来安全隐患，容易造成严重后果。而且，无人机对实训场地、环境、气象等条件要求较苛刻，制约无人机实践教学的有效开展。选择先进、有效的训练方法，是提升无人机系统效能的关键。在加强应用实训教学的过程中，要进行充分的教学实践与模拟训练，从而提高实践操作能力。本文主要针对基于理、实、虚一体化理念的无人机实训课程教学实践展开讨论分析。

关键词：无人机应用；教学实践；模拟训练；实践操作能力；飞行控制模拟

一、无人机模拟训练分析

当前，我国无人机模拟训练主要分为两种类型，即模拟操作培训与仿真维护培训。无人机模拟操作培训的核心内容是进行机载任务装备模拟训练与虚拟飞行控制模拟训练，是在全实物飞行仿真模型配合半实物仿真训练系统的基础之上进行，能够进一步实现人机互动，使无人机操作人员可以更加清楚了解无人机的运行过程以及工作细节。无人机仿真维护培训的主要内容是针对虚拟故障展开仿真训练。在仿真训练过程中能够有效完成装备部件拆卸组装、故障可视化诊断以及故障可视化处理。

二、无人机模拟教学实训主要内容

1、模拟训练系统

（1）模拟飞行环境

无人机模拟训练系统首先提供一个逼真的模拟飞行环境。这一环境应包含各种地形、天气条件和飞行场景，例如城市、森林、高山、平原等，并可以根据训练需要实时调整天气状况，如晴天、雨天、雾天等。这种多变的环境能增强学员在各种实际飞行条件下的应对能力。

（2）无人机模拟器

无人机模拟器是模拟训练系统的核心组成部分，它能够模拟无人机的飞行姿态、速度、高度等动态性能，以及无人机的操控响应。学员通过模拟器，可以在不实际操作无人机的情况下进行飞行训练，降低了实操风险，并提高了训练效率。

（3）飞行控制模拟

无人机模拟器具备高度逼真的飞行控制界面，学生通过这个界面可以学习如何操控无人机。模拟的飞行控制应包括起飞、飞行、降落等各个阶段的操作，以及无人机的各种机动动作。通过模拟飞行控制，学生可以熟悉无人机的操控技巧，提高对飞行控制的掌握程度。

（4）任务模拟

任务模拟是模拟训练系统的重要功能之一。学生可以在模拟系统中进行各种任务训练例如航拍、遥感测量、物资投送等。任务模拟应包括任务规划、执行和评估等环节，学生可以根据任务要求进行训练，提高对无人机任务执行流程的熟悉程度。

（5）紧急情况模拟

紧急情况模拟是为了训练学生在紧急情况下采取正确的应对措施。拟系统应能够模拟各种紧急情况，如无人机失控、坠落、动力丧失等。通过紧急情况模拟，学生可以学习如何快速、准确地应对紧急情况，提高在紧急情况下的应急处理能力。

2、飞行仿真软件体系

随着无人机技术的迅速发展，无人机模拟教学实训在无人机教育和培训领域中变得越来越重要。为了提高模拟的真实性和逼真度，一套完整的飞行仿真软件体系是必不可少的。无人机模拟教学实训的飞行仿真软件体系的主要组成部分:

a.界面仿真:提供一个与真实无人机相似的操作界面，包括遥控器、显示屏、控制面板等，让学生能够在模拟环境中进行操作。

b.物理仿真:模拟无人机的动力学行为，包括飞行姿态、速度、位置等，以及无人机的物理特性，如质量、重心、空气阻力等。

c.气象仿真:模拟真实的天气条件，如风、雨、雾、雷电等，以训练学生在不同气象条件下的飞行能力。

d.控制算法仿真:模拟无人机的控制逻辑和算法，使学生能够了解和测试各种控制策略的效果。

e.导航系统仿真:模拟无人机的导航设备，如GPS、IMU等，以训练学生对导航系统的理解和使用。

f.传感器模拟:模拟无人机的各种传感器，如摄像头、雷达、红外等，使学生能够了解和使用这些设备进行数据采集和处理

f.通信模拟:模拟无人机与地面控制站之间的通信链路，使学生了解和测试通信协议和数据传输。

3、任务信息及故障控制

在任务信息布置上，操作人员需要将训练内容和任务负荷有机地结合起来，研究如何动态地产生任务信息，同时实施有效控制，为无人机作战训练提供良好的平台。当无人机在飞行期间发生故障时，一般都是利用地面测控台获取的遥感数据来判断故障产生的原因，然后采取相应的措施，以防止无人机失控事故发生，避免安全事故的发生，造成不必要的损失。为有效控制无人机故障发生率，在日常的无人机应用实训教学过程中，可以运用虚拟故障生成技术，利用模拟计算机对操作人员进行随机故障的模拟，提高操作人员对故障的诊断能力。

三、无人机应用实训的教学实践

1、计算机仿真

该系统的仿真主要分为三个主要的模块：气动仿真、飞行控制导航仿真、指挥控制仿真。气动仿真主要由大气环境、发动机、质量、运动方程、飞行参数输出五大部分组成；飞控导航软件主要针对无人机的飞行与导航加以模拟，着重研究无人机的数据链接口以及实装车辆的定性模拟仿真；模拟指挥控制系统的软件具有飞行控制席位、任务控制席位模拟、任务规划席位模拟、链路监视席位模拟等。

2、教学指挥管理

教学指挥系统作为无人机应用实训教学模拟器的总控平台，是虚拟训练教学老师与真实教学装备之间建立直接连接，可以设置虚拟训练任务、调整训练参数、评价训练效果等，并具有对人员培训和任务信息管理等功能。课堂指挥和管理通常包括两大部分：管理计算机和管理终端。为了提高课堂指挥管理效率，大部分的计算机机箱都运用了工业控制机箱，并且在管理平台上设置了视频转换设备，这样操作人员就能按照教学老师的指示进行操作。

3、视景图像的生成

在视景显示系统中，虚拟三维场景的构建是其中的十分重要一环。视景显示系统能够为无人机的应用实训教学提供模拟现实的训练环境。在无人机培训课程中，视景影像生成是一个非常重要的环节，其目的就是根据任务的特点，针对无人机飞行以及训练区域的需要，实现目标自动建模。视景显示系统将提供日、夜两种工作模式，并在训练环境来模拟云层厚度和高度等参数。

结束语

运用无人机训练教学与训练方式，可大大缩短训练周期，提升无人机装备部队战斗力。在此基础上，建立无人机训练仿真系统，对操作人员的基本技能加强培训。目前的无人机的应用范围还在不断地扩大，安全技术措施要求也在提升，无人机应用实训教学也应更加标准化、规范化。

为适应专业规范化、职业化、安全化的训练需要，各专业的训练管理制度与方法也在不断完善,而当前的无人机领域又在进一步扩大,安全技术措施的制定也要求整个无人机应用技术专业的训练管理越来越标准化。

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