水下导航技术仿真教学模式探究

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摘要：为了帮助学生对水下导航技术的理解，培养学生运用理论指导实践的能力，本文分析了虚拟仿真教学方法的原理及实施。综合自动化、数据图像和视频、计算机及其软件等技术，利用虚拟现实软件与硬件设备等信息化、多媒体技术手段，构建具有高度仿真度的数据仿真。结合实际对象的实验环境和过程，达到更好地提高学生的学习积极性、增强学习兴趣、提高学习效果的目的。

关键词：水下导航技术；虚拟仿真；教学模式

水下机器人是一种智能化、自主航行、可根据任务使命要求进行模块优化组合，并能实现多种功能的集成系统。随着各国海洋战略的发展，水下机器人无论在军事领域和民用领域都得到了越来越广泛的应用。导航系统在水下机器人领域中起到了至关重要的作用。由于水下无法接受全球定位系统等电磁波信号，一般只能依靠惯性导航辅以声纳、洋流数据等技术进行导航。惯性导航系统可分为两类：平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统。其中，前者具有物理平台，惯性测量元件安装在物理平台的台体上，其体积较大、结构复杂，但干扰较少，计算量小。而后者的元件直接安装在载体上，用数字平台取代物理平台，计算量很大、受外界环境影响较大，但其体积小、成本低、结构简单、维护便利，随着计算机技术和数字信号处理技术的不断发展，捷联式惯性导航系统的优势不断体现，并被广泛使用。

一、虚拟仿真教学平台的引入

实验教学环节是本科生技能培养和专业知识获取必不可少的部分。但在学生理论知识学习和实践能力培养过程中，经常会出现实验环节在真实环境下难以重复、可观察、成本较高、实施难度较大的问题[1]。要使学生对专业知识与理论有切身真实的体验和感性认识，利用虚拟仿真技术是很有必要的，借助多媒体、数字化、网络化软硬件技术，精确仿真模拟真实的作业任务和物理环境。使得学生在虚拟仿真实验平台下，实现真实环境难以再现的实践和认知过程，从而提高学生对知识的深入理解和综合运用能力[2]。在国外，虚拟仿真实验教学最早起源于工科类院校基础课程教学，如美国UniversityofHouston的虚拟物理实验室、美国UniversityofNorthCarolina外科手术仿真实验室、MassachusettsInstituteofTechnology的微电子在线实验室、GeorgeMasonUniversity的动态流体虚拟仿真实验系统等[3，4]。虚拟仿真实验教学由于其精准性、直观性、生动性、安全性、可操作性强以及成本较低，广泛适用于各种专业的教学以及能力提高中[5]。河海大学作为以水利为特色，工科为主，多学科协调发展的教育部直属全国重点大学，一直以来把学生专业理论基础的实践能力培养作为本科教学的重点理念，建有国家级实验教学示范中心3个，国家虚拟仿真实验教学中心1个，自动化类专业在全校多个本科专业中占有重要地位。本虚拟仿真实验项目是为自动化专业本科《自动控制原理》的教学设计和制定的，满足相关教学大纲的内容要求。通过构建具高度仿真能力的虚拟实验环境和实验过程，学生可以在多媒体环境中通过数据视频/图像和人机互动操作中开展有关控制和自主运动载体（如无人机、无人驾驶，水下机器人等）的系统控制与自主导航关联实验，让学生借助情景化、视觉化的教学手段模拟性地参与到实际实验过程中，亲身体会和感受自己动手搭建的如水下导航平台的运作过程，实现生动、直观、互动化地学习和理解控制理论和导航工程技术的意义。

二、实验教学方法与原理

综合自动化、数据图像和视频、计算机及其软件等技术，利用虚拟现实软件与硬件设备等信息化、多媒体技术手段，构建具有高度仿真度的数据仿真结合实际对象的实验环境和过程，虚拟现实意义上表现诸如机器人协同控制、水下机器人导航等实验内容。满足学生完成参与型的实验教学的要求与相关实验目标的达成。该项目系统将以DVS3D虚拟现实软件为平台支撑，建立全三维水下环境动态平台，并将水下环境数据（如：温度、深度、流速等）映射到全三维水下场景中。同时建立水下机器人动态滑翔模型并显示其运动模型参数。搭载在水下机器人上的导航与定位传感器采集并解算导航定位信息，从而建立了水下机器人水下导航与定位信息获取的仿真系统。通过该仿真系统，可直观看出海洋环境参数变化情况、机器人在水下运行状态以及导航信息准确获取方法。通过动画、声音以及特有的三维模拟方式，为学生营造一个真实的环境，把水下机器人在海洋中运动状态和机器人的导航制导与控制过程逼真地呈现出来。虚拟现实水下导航与控制虚拟仿真实验平台通过对海洋环境参数、机器人运动状态、导航信息获取以及制导与控制实施进行逼真的3D可视化虚拟展示。通过人机互动形式，与虚拟环境中的船体模型进行交互操作，完成机器人本体姿态预调节、水下紧急情况抛载处理等。同时，该系统还提供导航信息初始参数设置，通过模拟真实的导航信息初始化，帮助学生了解水下机器人一航次中导航、制导与控制的过程。

三、虚拟仿真教学模式的实施

进行海底地形辅助导航系统仿真教学是要完成如下几部分工作：将系统分成若干功能模块，各功能模块分别代表不同的子系统或传感器；建立各子系统及传感器的数学模型或其误差的数学模型；设计匹配算法；确定各模块间的信息流；将各功能模块的数学模型转换为计算机编码。海底地形辅助导航仿真教学模型由水下机器人模块、导航模块、测深测潜仪模块、数字海洋图形模块、匹配模块和性能评估模块组成。建立一个准确、完整的水下机器人空间运动仿真模型是进行仿真的基础。水下机器人是一种在水下运动的刚体，具有刚体空间运动方程的一般形式，它受到的外力和外力矩包括：惯性类流体作用、粘性类流体阻尼作用、重力和浮力作用、推力和舵力。虚拟仿真系统能实时接收动态输入，并产生实时动态输出，实时性对于半实物仿真系统的稳定性和精度具有十分重要的意义。虚拟仿真系统中，学生可获得视觉、听觉、嗅觉、触觉、运动感觉等多种感知，从而获得身临其境的感受。理想的虚拟仿真系统应该具有能够给人所有感知信息的功能。最终达到让学生真切感受到水下导航技术在水下机器人上的应用原理和过程。

四、结束语

通过水下导航技术及应用的虚拟教学模式教学实践，本文对该教学模式的内容和方法进行了分析探索，并提出了一些相应的实施方案。通过理论教学和仿真实验方法的丰富，明显看出学生的学习积极性得到提高，学习兴趣得到增强、学习效果明显提升。

参考文献：

[1]王金岗.工学结合模式下虚拟仿真教学系统设计[J].职教论坛,2013,(17):26-29.

[2]恽如伟.虚拟现实的教学应用及简易虚拟学习环境设计[D].南京:南京师范大学,2005.

[3]韩芝侠,魏辽博,韩宏博,等.仿真虚拟实验教学的研究与实践[J].实验技术与管理,2006,23(5):63-65.

[4]许秀云,张玉梁.依托现代信息技术提高实验教学质量[J].实验室研究与探索,2011,30(5):130-132.

[5]王桂忠.基于LabView的虚拟仿真实验平台的设计[D].青岛:中国海洋大学,2009.

作者：黄浩乾 李林敏 单位：河海大学能源与电气学院