實驗簡介：

1.實驗的必要性及實用性

當海洋電纜發(fā)生故障時，需要智能機器人對故障點進行定位，然后機器人精確導(dǎo)航，行到故障點，再利用機械臂進行專業(yè)的打撈、修復(fù)或者更換。整個過程費力費時，維修成本很高，且處于高危和極端環(huán)境，為了克服海洋電纜檢測在真實環(huán)境下難以重復(fù)、可觀察、成本較高、實施難度較大的問題，本虛擬實驗擬借助多媒體、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件技術(shù)，對海洋電纜檢測水下機器人進行故障定位、動力驅(qū)動、姿態(tài)控制、路徑規(guī)劃與機械臂抓取等整個虛擬仿真內(nèi)容和步驟進行設(shè)計，搭建虛擬仿真實驗開放、創(chuàng)新的教學(xué)平臺，使學(xué)生對專業(yè)知識與理論有切身真實的體驗和感性認識。

本虛擬實驗依據(jù)如下的原則進行了設(shè)計。（1）實驗項目依托實際工程，設(shè)計真實；（2）采用情景式教學(xué)方法，增強學(xué)生的體驗感；（3）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計全面，循序漸進。

本實驗共分五個大的環(huán)節(jié)：（一）虛擬仿真實驗鏈接與登錄/注冊環(huán)節(jié)、（二）水下機器人結(jié)構(gòu)及實驗原理認知環(huán)節(jié)、（三）水下機器人控制（單一任務(wù)的操作練習）環(huán)節(jié)、（四）水下機器人導(dǎo)航與作業(yè)（綜合操作練習）環(huán)節(jié)、（五）虛擬實驗的總結(jié)/評價/整理/退出環(huán)節(jié)。其中，（二）、（三）、（四）環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)。

2.實驗系統(tǒng)的先進性

本虛擬仿真實驗以海洋電纜檢測水下智能機器人導(dǎo)航與作業(yè)控制為工程背景，將自動化本科《PLC技術(shù)課程設(shè)計》的基本知識點分解到“基礎(chǔ)型、綜合型和提高型”的三類實驗中。為了克服海洋電纜檢測水下智能機器人在導(dǎo)航與作業(yè)控制的真實環(huán)境下難以重復(fù)、可觀察、成本較高、實施難度較大等問題，本項目借助多媒體、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件技術(shù)，研發(fā)該虛擬仿真實驗系統(tǒng)，服務(wù)學(xué)生的“基本原理學(xué)習、綜合能力訓(xùn)練、激發(fā)創(chuàng)新意識”的培養(yǎng)目標。 

實驗背景：

海洋電纜主要應(yīng)用在一些較為重要的場合，比如海上風電場、橫越江河港口、陸島之間的連接、鉆井平臺之間的互相連接以及跨海軍事設(shè)施等。隨著海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，海上各種平臺越來越多，海洋電纜得到了大量的使用，同時海洋電纜故障也不斷增加。通常情況下，海洋電纜敷設(shè)在海底1～2米深處。當發(fā)生故障時，首先需要對故障點定位，然后對機器人精確導(dǎo)航，行到故障點，再利用機械臂進行專業(yè)的打撈、修復(fù)或者更換。實際從對電纜故障定位、導(dǎo)航到修復(fù)需要幾天甚至幾十天時間，耗費大量的人力物力，維修成本很高，且處于高危和極端環(huán)境，因此，為了克服海洋電纜檢測在真實環(huán)境下難以重復(fù)、可觀察、成本較高、實施難度較大的問題，本虛擬實驗擬借助多媒體、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件技術(shù)，對海洋電纜檢測水下機器人進行故障定位、動力驅(qū)動、姿態(tài)控制、路徑規(guī)劃與機械臂抓取等整個虛擬仿真內(nèi)容和步驟進行設(shè)計，搭建虛擬仿真實驗開放、創(chuàng)新的教學(xué)平臺，使學(xué)生對專業(yè)知識與理論有切身真實的體驗和感性認識。通過該課程的實施，推廣虛擬仿真技術(shù)在高等教育的應(yīng)用，提高學(xué)生的實踐操作能力和解決問題的能力，為培養(yǎng)高素質(zhì)人才打下堅實基礎(chǔ)。

設(shè)計原則：

（1）實驗項目依托實際工程，設(shè)計真實

該虛擬實驗是以真實海洋電纜檢測水下智能機器人導(dǎo)航與作業(yè)控制的場景為參照，基于實際工程案例與數(shù)據(jù)，采用數(shù)字化、信息化、多媒體、虛擬現(xiàn)實等先進技術(shù)，針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)中難以開展的實驗課題，構(gòu)建的虛擬系統(tǒng)。實驗?zāi)Ｐ团c教學(xué)軟件系統(tǒng)使實驗過程能夠重現(xiàn)海洋環(huán)境系統(tǒng)中裝置、模型工作原理及各種物理過程，學(xué)生可通過仿真教學(xué)軟件的操作與使用，學(xué)習、理解和掌握水下機器人智能檢修海洋電纜的過程和工作原理。

（2）采用情景式教學(xué)方法，增強學(xué)生的體驗感

采用情景式教學(xué)方法，使學(xué)生可身臨其境般沉浸在實驗環(huán)境中，體驗和認知水下機器人對海纜故障定位、動力驅(qū)動、姿態(tài)控制、路徑規(guī)劃與機械臂抓取的復(fù)雜工程問題與過程，提高實驗的感性認知度和趣味性。

（3）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計全面，循序漸進

該虛擬實驗包括基礎(chǔ)型、提高型和綜合型三種類型，循序漸進地提升學(xué)生的綜合能力。

水下機器人結(jié)構(gòu)及實驗原理認知環(huán)節(jié)屬于基礎(chǔ)型實驗，包括水下機器人結(jié)構(gòu)認知、海洋電纜故障檢測及智能定位原理認知、無刷直流電機驅(qū)動控制原理認知、水下機器人姿態(tài)角度閉環(huán)控制原理認知、水下機器人路徑規(guī)劃原理認知和PLC控制的機械臂作業(yè)原理認知，學(xué)生可了解水下機器人結(jié)構(gòu)及各種實驗原理。

水下機器人控制（單一任務(wù)的操作練習）環(huán)節(jié)屬于提高型實驗，包括海洋電纜檢測及智能定位、水下機器人動力驅(qū)動控制、水下機器人姿態(tài)角度閉環(huán)控制和水下機器人路徑規(guī)劃。學(xué)生可分別進行海洋電纜檢測及智能定位、水下機器人動力驅(qū)動控制、姿態(tài)角度閉環(huán)控制和路徑規(guī)劃的實驗過程。

水下機器人導(dǎo)航與作業(yè)（綜合操作練習）環(huán)節(jié)屬于綜合型實驗，包括領(lǐng)取海洋電纜故障任務(wù)、水下機器人航行綜合設(shè)計、水下機器人機械臂精細化抓取實驗。

實驗?zāi)繕耍?/b>

本虛擬仿真實驗以海洋電纜檢測水下智能機器人導(dǎo)航與作業(yè)控制為工程背景，將自動化本科《PLC技術(shù)課程設(shè)計》的基本知識點分解到“基礎(chǔ)型、綜合型和提高型”的三類實驗中。為了克服海洋電纜檢測水下智能機器人在導(dǎo)航與作業(yè)控制的真實環(huán)境下難以重復(fù)、可觀察、成本較高、實施難度較大等問題，本項目借助多媒體、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化軟硬件技術(shù)，研發(fā)該虛擬仿真實驗系統(tǒng)，服務(wù)學(xué)生的“基本原理學(xué)習、綜合能力訓(xùn)練、激發(fā)創(chuàng)新意識”的培養(yǎng)目標。課程圍繞立德樹人根本任務(wù)，以提升質(zhì)量為導(dǎo)向，著力培養(yǎng)高層次應(yīng)用型創(chuàng)新人才為目標，積極探索線上線下教學(xué)相結(jié)合的個性化、智能化實驗教學(xué)新模式，形成專業(yè)布局合理、教學(xué)效果優(yōu)良、開放共享有效的教育信息化實驗教學(xué)項目新體系，支撐教育教學(xué)質(zhì)量全面提高。

通過虛擬仿真實驗的內(nèi)容和步驟設(shè)計，具體達成以下實驗教學(xué)目標：

1.直觀形象地感受海洋的“復(fù)雜性、多變性和隨機性”環(huán)境特性，讓學(xué)生體會到在海洋水下環(huán)境下電纜檢測機器人控制與導(dǎo)航的復(fù)雜工程問題的內(nèi)涵與意義。 

2.虛擬再現(xiàn)水下機器人海洋電纜故障定位的實施步驟與效果檢驗，使學(xué)生理解用脈沖衰減法提取的特征值數(shù)據(jù)和距離數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的解算方法及關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置；

3.可視化、動態(tài)化地模擬水下機器人電機驅(qū)動、姿態(tài)估計與控制、路徑規(guī)劃的實施步驟與效果檢驗，使學(xué)生掌握水下機器人導(dǎo)航的參數(shù)設(shè)置方法和控制算法實施效果。

4.可視化、互動化地模擬水下機器人機械臂作業(yè)控制的實施步驟與效果檢驗，使學(xué)生掌握水下機器人機械臂完成抓取等作業(yè)的參數(shù)設(shè)置方法和控制算法實施效果。

基于海洋電纜檢測水下機器人控制與導(dǎo)航的實際案例與工程實測數(shù)據(jù)，以虛擬現(xiàn)實的方式，幫助學(xué)生自主探究海洋電纜故障定位、水下機器人精確導(dǎo)航和機械臂作業(yè)的控制參數(shù)設(shè)置方法和控制方案設(shè)計，觀察實施效果。

實驗要求：

一、課程本身要求

1.課程要求具有“高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度”，通過建強教學(xué)團隊、優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容、創(chuàng)新教學(xué)方法、完善課程評價等方式，切實提高教學(xué)質(zhì)量，著力打造虛擬仿真實驗“金課”。

（1）提升高階性。課程目標堅持知識能力素質(zhì)有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高級思維。課程內(nèi)容強調(diào)廣度和深度，突破習慣性認知模式，培養(yǎng)學(xué)生深度分析、大膽質(zhì)疑、勇于創(chuàng)新的精神和能力。

（2）突出創(chuàng)新性。教學(xué)內(nèi)容體現(xiàn)前沿性與時代性，及時將學(xué)術(shù)研究、科技發(fā)展前沿成果引入課程。方法體現(xiàn)先進性與互動性，大力推進現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，積極引導(dǎo)學(xué)生進行探究式與個性化學(xué)習。

（3）增加挑戰(zhàn)度。課程設(shè)計增加研究性、創(chuàng)新性、綜合性內(nèi)容，加大學(xué)生學(xué)習投入，科學(xué)“增負”，讓學(xué)生體驗“跳一跳才能夠得著”的學(xué)習挑戰(zhàn)。嚴格考試評價，增強學(xué)生經(jīng)過刻苦學(xué)習收獲能力和素質(zhì)提高的成就感。

2.課程設(shè)計的課時和操作步驟適當。納入本專業(yè)教學(xué)計劃，且滿足6個課時的實驗教學(xué)需求，學(xué)生實際參與的交互性實驗操作步驟須不少于10步。

3.有準確適宜的教學(xué)內(nèi)容，堅持問題導(dǎo)向，面向?qū)嶒灲虒W(xué)培養(yǎng)目標，堅持“能實不虛”的原則，重點解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難，涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓(xùn)練等問題。

二、所面向?qū)W生的要求

1.要求學(xué)生學(xué)習過《電路》、《數(shù)字電路》、《模擬電路》、《C語言》、《自動控制原理》等軟硬件基礎(chǔ)知識和一定的編程能力。

2.有工匠精神、鉆研精神和團結(jié)協(xié)作能力。