浅谈用虚拟现实技术辅助遥控飞行教学

内蒙古包头市昆都仑区少年宫 郑凯飞

航模活动是中小学生热爱的科技教育项目，是科学技术教育普及的重要组成部分，对青少年的多方面素质培养和智力开发具有积极的作用。充分发挥航模活动的教育作用，对培养科技人才意义重大。中小学生航空模型课程，从简单的无动力自由飞飞机到较高级的无线电遥控模型飞机，涉及到模型飞机的设计制作、试飞调整、改进创新、飞行训练等多方面知识技能的教学活动；其中遥控模型飞机飞行是航模活动的较高级阶段，也是学生非常喜欢的活动项目之一。

下面着重分析了模型飞机遥控飞行训练实践中存在的问题，应用虚拟现实技术改进模拟飞行的必要性和可行性。阐述了虚拟现实模拟飞行对活动场地、经费、师资问题的解决及其应用展望。限于篇幅，文中涉及到的技术术语未作详细介绍，可通过网络了解。

用虚拟现实技术改进模型飞机飞行训练的必要性和充分性

（一）在航模飞行训练中运用虚拟现实技术的必要性分析

考虑到模型飞机的抗风能力、制作成本等因素，多数户外遥控模型飞机飞行速度较快且容易损坏，通常的学校操场不适合初学者飞行训练。因此，用真模型飞机训练代价较大，不理想。现在比较好的方法是把遥控器与电脑连接，在电脑上运行飞行模拟器软件，通过观看显示器中模型飞机的飞行状态来练习入门。有安全低耗，机种和场地选择丰富灵活，不受时空、天气情况等环境因素的限制的优势；特别是当飞机飞在少有参照物的高空，视角、视距差微小，平面视觉与实际空间视觉更接近；对操作者手的感觉及动作技能，以及通过观察显示器图像，对远处飞机飞行速度的观察判断、飞机实际空间方位的想象推测能力的培养有重要的作用。但近距离的起飞、降落阶段，面对固定的电脑显示器屏幕有限的平面视觉，相比真实遥控飞行广阔的空间视野中用来判别空间方位的立体视觉和肢体感觉有很大的差别。人对于飞机空间方位的判断能力也需要在实践经验中学习训练才能获得；而平面显示模拟飞行与实际飞行中大脑综合运用多感官对空间方位判断能力的训练有较大的差距，影响了更加全面接近实际的感知与动作训练与能力培养。三维虚拟现实眼镜不仅给人真实的三维视、听觉，更把人从计算机桌前解放，让人能够自由走动、转身、抬头低头、左右观看，实现更加逼真的模拟飞行训练，获得比传统模拟飞行更加全面、接近实际的时空感受与能力培养。因此运用虚拟现实技术改进现有模拟遥控飞行技术非常必要。

（二）在航模飞行训练中运用虚拟现实技术的充分性分析

遥控飞行是遥控飞行操作者始终基本站在原地，保持面对飞机观测飞行状态，实现手眼配合的遥控飞行。飞机在空中的方位变化，引起人视线的方向变化。因此，在这样一个模拟飞行系统中，只需要人头部相对于地球坐标的三维方向变化信息，以及手部的遥控操作信息，输入电脑处理，作为计算机输出飞机相对于地球坐标的方位变化的虚拟三维视听信息的依据。 这种虚拟现实模拟飞行技术就是在这种虚拟视听觉输出和传感器信息输入的互馈中连续循环，直到平稳着陆或其他原因而终止模拟。虽然人在真实环境比虚拟环境能感受到更多信息，但在遥控飞行操作中以视、听觉为主，初学者对于其他信息还无暇顾及。因此，这种遥控飞机的虚拟现实模拟飞行技术一旦实现，就基本上虚拟了真实遥控飞行的全部人体感受信息。当然若再配备模拟风装置等，就能提供更全面的身体感知训练。不需要数据手套一类的肢体感受模拟装置，因为，模拟飞行用的遥控器，就是真实的遥控器。因此，一台电脑，一付虚拟现实眼睛和一个有PPM信号输出接口的遥控器；或者，像极富创意的“谷歌Cardboard”一样，只用一部内置多种传感器的智能手机配合两个凸透镜和硬卡纸外壳组成的头戴式VR眼镜，再配一个蓝牙遥控器手柄。这样一套相对精简廉价的市售设备就具备了开发基于虚拟现实技术模拟飞行器的硬件条件，再结合软件开发就能充分虚拟真实的遥控飞行。现有的XTR、FMS等较成熟的模拟遥控飞行软件内置了丰富的飞机模型和场地模型，并依据多方面的物理参数实现了较真实的模拟飞行，只要在此基础上开发成符合双目立体视觉的双画面显示即可；或者通过改进现有的三维虚拟现实飞行游戏，使能更真实的模拟遥控飞机的飞行。只要广开思路设法整合各方面现有技术、资源，就能实现基于虚拟现实技术的模拟飞行训练。我国有大量的软硬件技术创客以及虚拟现实游戏机厂商，完全有能力开发基于虚拟现实技术的的模拟飞行项目。

（三）虚拟现实技术对活动场地、经费、师资问题的解决及应用展望

由于虚拟现实中的飞行场所、航模器材等都是在计算机中创建的虚拟数据模型，因此虚拟现实技术的虚拟性、计算机数据的可复制性使活动场所，器材经费得以解决；虽然虚拟现实设备也需较高的投入，但相比实际飞行训练的投入还是比较经济的。此外，模拟飞行软件中提供随意对软件进行单独针对某项技能训练的特定设置，随意更换飞机、场地，飞行高手的示范视频，自己飞行的暂停、记录与回放，这都是实际飞行都无法实现的优势。可以说，好的飞行模拟软件不仅解决了器材、场地等经费问题，更是一个得力的助教。 具有虚实结合特性的增强型虚拟现实技术(AR)飞行控制，通过采集并处理机载的GPS、三轴陀螺仪、加速度等传感器数据，即时补充因为距离遥远而模糊不清的飞机的视觉、听觉的虚拟信息并叠加到虚实兼顾的有透明显示屏的AR眼镜上，同时显示放大了的飞机视听信息和即时的提示和导航信息不仅可以进行虚拟飞行练习，也对实际遥控飞行提供强有力的技术支持，最大限度的提高飞行的安全、降低飞行成本。若进一步实现了结合Google地图，GPS、方向、气压等多种传感器信息以及立体视觉技术进行三维建模，还可以实现结合实际场地的模拟飞行以及把形成的外场环境模型带回室内进行模拟飞行训练。“好奇号”火星探测器远距离遥控技术可以借鉴。

虚拟现实遥控模拟飞行技术有利于遥控飞行中大部分感受的充分体验，因而能更有效地实现教学辅助功能，使学习者可以沉浸其中进行自由探索和自主学习，激发学生的学习积极性，提高教学的质量。虚拟现实技术的虚拟性充分解决了航模教育活动中的场地、经费、师资问题。是极有价值和应用前景的教育技术。