林志玮 黄秀萍 洪宇

[摘 要] 为促进无人机技术在高校农业教学中的应用，培养农用无人机应用技术人才，提升农业生产的信息化与精准化，设计了一个基于VR操控的无人机模拟系统，并应用于农业教学实践中。该系统在VR技术支持下实现沉浸式教学体验，提升了学生对无人机理论知识的掌握程度，解决了教学实践中无人机设备短缺的问题;实时视觉定位无人机的航行环境并创建三维点云地图，实现了农业信息获取的可视化与实时性。该系统具有完备的设计过程，能够直接应用于无人机农业教学中，为高校培养无人机农业技术人才创造条件。

[关键词] VR技术;微型无人机;农业教学

[基金项目] 2018年度福建省研究生教育教学改革项目“AR/VR技术背景下研究生教学模式改革研究与实践”（FBJG20180197）

[作者简介] 林志玮（1981—），男，台湾台北人，博士，福建农林大学计算机与信息学院副教授，主要从事图像处理、图形识别研究;黄秀萍（1998—），女，福建三明人，福建农林大学计算机与信息学院2020级统计学专业硕士研究生，研究方向为统计信息技术与数据挖掘、图像分割识别;洪 宇（1996—），女，福建南平人，福建农林大学计算机与信息学院2018级统计学专业硕士研究生，研究方向为统计信息技术与数据挖掘、图像分割识别。

[中图分类号] TP399    [文献标识码] A  [文章编号] 1674-9324（2021）20-0141-04     [收稿日期] 2020-12-28

一、引言

随着科学技术的发展，基于机械化、自动化、信息化的农业机械设备为解放农业生产带来了新机遇，农业信息化是农业可持续发展的科技体现和发展基石。将现代信息技术与农业生产实践教学有机地结合起来，是高等农林院校须解决的一项复杂而艰巨的任务，是高校培养创新型、应用型、复合型农业信息化人才[1]，发展农业现代化的基础与保障。

受教学设备限制，目前绝大多数高校尚未开设无人机相关课程，造成无人机农业信息化人才短缺[2]。VR（virtual reality）技术是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，将VR技术与无人机相结合，可设计一个基于VR操控的无人机飞行模拟控制系统。利用VR技术实现对虚拟无人机的操控，能够有效解决实践教学中无人机设备短缺的问题，同时避免学生因实体无人机操控不熟练而引发的教学事故，且具有实践性强、展示力佳、学生施展空间大的优点[3]。系统附属的实时视觉同步定位及建图功能，能够让学生实时了解无人机侦察地點的植物分布、生长情况等实时信息。将VR+无人机技术应用于农业教学中，提升了学生在实践教学中的融入感以及动手与创新能力，更重要的是以农业信息化为导向，对培养有竞争优势的VR技术人才、无人机技术人才以及农业信息化人才，对满足农业可持续发展的需求具有重要意义。福建农林大学兼备农业和计算机类专业等多方面的资源优势，是我国农业信息化建设的主力[4]，为此，他们结合优势教学资源，构建培养VR+无人机农业技术人才的教学平台及跨专业教学团队，探讨培养新型农业高层次人才的教学改革新思路，为符合农业现代化发展建设输送技术人才。

二、无人机农业教学基础与关键问题

（一）无人机农业教学构建的基础

无人机农业教学融合了遥感、计算机、农业等多学科的专业知识。福建农林大学是一所以农林为特色的综合性大学，具有相关学科的专任教师，为跨学科教学团队的整合创造了条件。此外，具备众多的农业教学基地，可为无人机农业教学研究提供实践基地。

为解决实践教学中无人机设备短缺的问题，本文提出基于VR操控的虚拟无人机飞行控制模拟系统，只需在计算机机房便能实现无人机操作的实践教学。

（二）无人机农业教学应解决的关键问题

无人机农业教学涉及多学科交叉问题，在创建跨学科教学团队时，涉及不同学院、学科的专任教师，应合理配置团队人员，促进教学团队的交流合作，发挥跨学科教学的优势。

教学实践是将理论和实践有效结合的手段，是培养应用型人才的基础。传统涉及无人机设备的课程多数以理论教学为主，学生在学习过程中缺乏动手操作的机会，限制了创新型及应用型人才的培养。因此，改变传统的教学目标，侧重理论知识与实践相结合的教学新模式，借助无人机模拟飞行控制系统培养学生制订飞行路线、完成飞行任务、采集农业信息、执行农业植保任务的能力。

无人机目前在农业上的应用仍是新兴领域，并不成熟，主要存在以下问题：（1）植保无人机操作复杂，要求操作人员掌握基本操作技能[5];

（2）飞行规划需要考虑地形、障碍物、作业区域等因素，一般无人机不具备自动避障功能[6]，易造成飞行事故，需要学生进行航线规划[7，8]。通过开展无人机农业教学，可培养无人机技术人才，为农业信息化建设提供保障。

三、无人机教学平台的搭建

（一）基于VR操控的无人机飞行控制模拟系统构成

基于VR操控的无人机飞行控制模拟系统的结构如图1所示。系统主要由模拟模块、飞控模块、手势识别模块和机器学习模块构成。无人机模拟模块是创建虚拟无人机三维模型及在模拟地图上的所在位置，该模块提供了在不具有无人机设备的前提下，让学生在实验室机房中便能实现对无人机的飞行控制;无人机飞控模块是对虚拟无人机进行飞行控制;手势识别模块是获取手势信息并对手势进行识别;算法模块是对手势进行训练，进而获得具有较高识别准确率的识别模型。

（二）视觉同步定位与建图系统构成

视觉同步定位与建图系统的结构如图2所示。该系统主要由信息获取模块、视觉里程计模块、优化模块、回环检测模块和建图模块构成。信息获取模块具有图像信息获取、相机标定和图像校正功能;视觉里程计模块是对相机运动和局部地图进行估计;优化模块是对信息进行优化以及计算相机轨迹;回环检测模块是用于检测摄像机是否到达之前到达过的位置;建图模块是根据系统计算后得出地图信息实时创建三维点云地图。

（三）成果展示

为能更加直观地了解本系统，图3对基于VR操控无人机飞行控制系统及其附属的视觉定位与建图系统的成果进行展示。

图3为系统效果展示图。图（a）用于显示虚拟无人机的飞行轨迹，图中的绿色箭头为虚拟无人机的机头朝向，黄色线条为飞行轨迹。图（b）为虚拟无人机三维模型展示窗口，用于了解无人机当前的飞行动作。图（c）为基于VR手势识别对无人机进行飞行控制，VR功能的实现是借助Leap Motion体感控制器获取使用者的手部动作信息。图（d）为视觉同步定位与建图系统创建的三维点云地图，实验环境为室内。该地图是通过同步定位与建图系统估计摄像机位置，将RGB-D摄像机所获取的数据转化为点云，然后将得到的点云进行拼接，从而获得一个由离散的点构成的点云地图。

四、无人机农业教学平台构建的意义

（一）实现实践教学的可视化与交互性

基于VR操控的无人机飞行控制系统，操控者通过手势控制取代传统的无线电遥控器对无人机进行飞行控制。利用手势操控无人机飞行状态，能够实现操控者与无人机飞行状态相融合，给学生带来沉浸式、交互式的操作体验[9]，提升学生学习的乐趣，同时避免学生因操作不当引发的无人机飞行事故。此外，系统附属的视觉同步定位并建图的功能，使学生能够在利用无人机采集教学基地实验数据的同时，第一时间准确地感受到无人机侦察地点的实时信息，实现实践教学的实时可视化。

（二）多元学科融合，促进各学科建设

农学相关学科与计算机、遥感等学科融合，推动了农业现代化的不断发展。多数高校在农业学科中的教学团队以同类型专业人员为主，未能涉及多学科的交叉融合。以植物保护为例，教学团队多以植物保护及其相近专业的教师组建[ 10 ]，实践教学主要由植物保护传统实验构成，对无人机等新型植保设备的具体技术只了解基础的理论知识，未进行理论和实践的结合，未能满足社会发展的应用型人才建设。因此，构建跨学科的教学团队，能够扩大无人机系统应用领域，为农学的信息化、现代化建设提供技术手段。

（三）解决无人机设备在农业教学应用中存在的问题

本文提出的基于VR操控的微型无人机飞行控制系统及其附属的视觉定位及建图系统，能够很好地解决以上无人机设备在农业应用中存在的问题：（1）基于VR操控的微型无人机飞行控制系统提供了虚拟地图和虚拟无人机的三维模型，解决了无人机教学设备短缺的问题，提升学生对無人机设备的认识度。（2）培养学生制订飞行路线、完成飞行任务、采集农业信息、执行农业植保任务的能力。

（四）促进农业生产的发展

无人机在现代农业生产的应用领域较广，涉及作物信息（环境信息、长势信息、病虫害信息）监测[ 11 ]、药物喷洒、自动播种等方面[ 12 ]，推动了精细农业、信息化农业的发展。目前，我国无人机技术在农业领域的应用仍处于发展阶段，无人机植保、无人机农业信息监测技术人才短缺。高校开展无人机农业教学能够有效缓解这一问题，促进农业自动化、现代化、信息化的发展，提高农业生产效益。

五、结语

目前，农业领域的无人机及无人机数据处理仍处于发展阶段，无人机设备在农业应用领域仍存在较多的问题。随着无人机在农业生产中的普及，无人机农业应用型人才缺口也越来越大。因无人机教学设备限制，多数农林高校暂未开设相关专业，农学课程的无人机设备教学也以理论为主。本文提出的基于VR操控的微型无人机飞行控制系统及其附属的视觉定位及建图系统，能够很好地解决无人机教学设备短缺的问题。通过VR对无人机进行操控，实现了良好的交互性，提升学生操控过程的真实感与代入感，更好地掌握无人机的飞行原理;对无人机所处环境进行实时视觉定位并创建三维地图，为学生提供更加实时、直观、立体的农业信息，提升学生学习的兴趣。系统对促进高校无人机农业教学学科建设，培养无人机应用型人才、VR技术人才、农业信息化人才，具有积极意义。

参考文献

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[9]徐恩华.人工智能技术下沉浸式教学模式在无人机教学中的应用探索[J].教育教学论坛，2020（23）：283-284.

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[11]杨邦杰，裴志远.农作物长势的定义与遥感监测[J].农业工程学报，1999（3）：214-218.

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Application of UAV System Based on VR Control in Agricultural Teaching

LIN Zhi-wei， HUANG Xiu-ping， HONG Yu

（School of Computer Science and Information， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， Fujian 350002， Chin）

Abstract： To promote the application of drone technology in agricultural teaching in universities， cultivate technical talents for agricultural drone applications， and improve the informatization and precision of agricultural production， designing a simulation system for drones based on VR control and apply it in agricultural teaching practice. With the support of VR technology， the system realizes an immersive teaching experience， improves students' mastery of the theoretical knowledge of drones， and solves the shortage of drone equipment in teaching practice. It perform real-time visual positioning of drone flight environment and create three-dimensional point cloud map， which realizes the visualization and real-time acquisition of agricultural information. The system has a complete design process， can be directly applied to drones agriculture teaching， creating conditions for universities to cultivate drone agricultural technical personnel.

Key words： VR technology; micro-UAV; agricultural teaching