1.实验的必要性（1）响应国家智慧城市发展纲要，服务社会需求，支撑自动化领域人才培养①面向国家战略——发展智慧城市，助力城市安全目标实时追踪技术在自动控制场景中发挥着至关重要的作用，广泛应用于工业生产、天文观测、智慧交通、军事作战等领域。以无人机为载体的目标追踪，在城市安防、道路监管等任务中被大量使用，尤其是在城市交通肇事后车辆逃逸比例高达20%的今天，多旋翼无人机能够有效辅助交管部门完成实时肇事车辆的追踪。本实验项目面向国家智慧型城市的发展战略，针对无人机追踪肇事逃逸车辆问题，提取场景需求，精细化分解控制任务，使学生充分调动所学技能，“小中见大”，以“小题细做”的精神提高创造性和综合性解决问题的能力。与此同时，通过情景体验式的实验教学，其教学与研究成果具有示范性和推广应用性，未来可辅助交管部门完成实时道路监控及肇事车辆的追踪任务，服务社会需求，有助于提升智慧城市的交通安全。               图1 无人机城市追踪逃逸车辆，发展智慧城市，助力城市安全②面向专业与课程建设——支撑课程体系，创新人才培养实验项目以智慧城市中的车辆追踪为场景，结合本专业的核心理论课程《自动控制原理》，将抽象的理论知识形象化、实践化。实验项目充分支撑自动化专业建设，学生需从城市追踪的实际问题入手，自主分析任务中各项因素，并调整系统模型以满足实验及应用需要。通过实验，学生不仅能更加直观地学习理论知识，还能够主动探究所学知识的应用场景，有效激励学生放眼社会，发现现实生活中亟待解决的问题，增强社会参与感，促进学生将来能够更好地适应社会发展需求。通过对追逃问题的学习与实践，亦可使学生明辨是非，维护公平，培养正义感和高尚的道德情操，以及勇于担当、回报社会、奉献社会的意识。（2）实验高危、高消耗、不可逆、现实不可及，必须依托虚拟仿真技术展开①实地实验不可及由于逃逸车辆行驶速度较高，且逃逸过程中会存在逆行、超速、变更车道等严重违反交通规则的行为，会对城市交通造成极大干扰，因此车辆逃逸无法在现实的城市道路中模拟，也难以在校园环境中模拟。此外，无人机高速旋转的桨翼十分锋利，失控的飞机会危及学生及教师安全。          图2 车辆逃逸会对城市交通造成干扰，难以在现实道路及校园中模拟②高速追踪实验伴随高成本、高消耗高速飞行的无人机在城市环境中极易发生信号中断、碰撞、坠机等意外情况，导致机架、桨、电机、高速摄像头等部件严重损坏。从无人机的结构稳定性与功能性考虑，即使是轻微损伤的部件也必须被更换。在高速追踪场景下，反复调参、多次失败是必经之路，对于理工类院校自动化类专业每年几百名学生的大量实验次数而言，成本消耗过高。③无人机追踪实验不可重复、不可逆转城市环境中大量存在线缆、桥梁、路灯、禽鸟、树木、楼宇等影响飞行的因素，且城市道路的车辆的运动状态、司机面对逃逸车辆的反应都具有随机性，实验场景差异大，无法重复。一旦开启追踪过程，所有场景状态都无法逆转，存在操作不可逆。结合上述原因，无人机城市追踪问题必须结合信息技术和仿真模型开展，创新虚实互补，促进知识融合。本实验项目将利用真实的飞行器特性，使飞行器的本体控制问题充分“落地”，能实不虚；在虚拟仿真系统中应用真实飞行器的建模数据，并通过多组实验，灵活变换系统参数、扰动信号、抓捕时机等因素，做到“虚实结合”，使其能更加逼近真实智能追捕场景。2、实验的实用性（1）支撑课程体系，保障人才培养本实验项目充分落实虚拟仿真实验学项目的建设精神，立足自动化专业本科人才培养方案，尊重课程特点及发展规律，丰富课程资源的同时，支撑了专业建设需求。通过虚拟仿真教学实验建设，实现教学团队组建、方向规划、平台构建、科学研究、人才培养一体化建设目标，打造学科与专业特色。                    图4 实验项目支撑自动化专业课程体系及人才培养目标实验项目能够拓展教师的教学思维，通过线上实验与线下指导，提升教学效率与教师的教学能力。在实际教学中，本实验项目不仅应用于《自动控制原理》课程，相关实验环节还可应用于先修及后续控制类课程的实验教学。课程资源库的建设能够较好地实现教学内容的共享化以及学科与专业的协同发展。通过虚拟仿真教学实验方式，可有效培养学生的专业意识，塑造自动化领域的职业精神。实验项目在完善专业知识体系、提高课程实施效率和提升专业人才培养质量等方面都起到了关键作用。（2）支撑教学目标，解决重点难点本实验项目以虚拟仿真形式，突破传统自动控制原理教学的局限和瓶颈，提升学生的学习兴趣，辅助学生贯穿理解控制系统中的各个环节，综合培养学生宏观把控、整体分析、参数调节、数据处理等相关专业技能，有效完成课程的教学目标。由于无人机飞行与追踪的三维场景的引入，本实验项目可以给学生身临其境的体验，切实感受到动力学系统模型特性、控制器设计及参数调节、系统性能指标等重点与难点知识。在有限的线上教学时间内让更多的学生掌握技能，规范操作流程，提升技能水平国，有利于攻克教学重点及教学难点，增强综合实践类课程对学生专业学习与成长的影响力。                     图5 实验项目在课程中的定位及其对教学目标的支撑3、教学设计合理性（1）高阶性：培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维该实验围绕控制类专业的人才培养方案和课程教学大纲，紧扣城市追踪控制中需要掌握的重要知识点和需要培养的关键技能，准确把握PID控制和滑模控制等教学难点，合理设计实验环节，适宜安排实验任务，提高学生对自动控制理论的理解和掌握。通过知识能力素质的有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。让学生兼顾知识传承、实践能力和素质培养三个方面全方面发展。本实验重点支撑课程目标中“能够综合运用所学知识，完成较为复杂和完善的控制系统设计任务”和“综合运用专业基础理论、基本技能和专业知识分析、解决工程设计问题的能力，以及培养学生的独立思考和创新能力”。实验需综合运用《自动控制原理》、《现代控制理论》、《自动化综合实验》等多门专业基础课程和专业课程知识；通过虚拟仿真技术，将现实中高成本、高损耗、操作不可逆的大型综合复杂工程控制任务场景呈现给学生，通过层层递进、步步引导，训练学生综合运用所学知识，开拓思路、创新思维，面向问题，开展设计和探究，进而培养学生初步具备解决复杂工程控制问题的能力。（2）挑战度：实验流程完整、步骤循序渐进在该虚拟仿真实验系统中，学生可通过各交互操作步骤，层层递进，“实验基本认知→基础原理学习→验证性实验→综合设计”，逐步模拟城市追踪的过程。在实验过程中，各步骤分割合理，环节安排适宜，难度循序渐进。操作过程中，学生可通过直观的三维效果，反复调整设计，完成最优的控制参数设计。以此引导学生自主探究，提升学生解决复杂工程问题的能力，提高教学效果。PID最优参数和滑模控制最优参数的设定实验部分，学生需要“垫垫脚、跳一跳”才能够得到正确的实验结果，具有一定的挑战度。（3）创新性：教学评价创新  该实验系统克服了传统作业评判中以教师意见为主的弊端，利用实验平台的特点和优势，通过专业公式计算的平台量化的评判的方式，完成客观和主观评估，生成系统、全面评估报告，使学生对自己掌握相关知识和能力的情况有清晰、明确的认识，以更好推动自动追踪相关知识点和技能的进一步学习和提高。4、实验系统的先进性（1）实验内容及数据模型来源项目组最新科研成果和重点项目数据支撑本实验以自动控制原理中经典控制方法为理论基础，结合实际需求，让学生能够更加直观的学习理论知识。项目内容来源于智慧城市中的车辆追踪问题，紧跟研究前沿，充分利用本学科所在的“江苏省物联网智能机器人工程实验室”的资源和条件。将国家重点研发计划“水下机器人近底精细目标检测与避障控制共性技术及验证（2019YFB1310300）”、江苏省重点研发项目“无人机桥梁缺陷检测项目（BE2018734）”等科研成果转化为优质的实验教学资源。结合 3D 技术和建模技术设计而成，具有完全知识产权，拥有十余件国家发明专利和 5 件软件著作权，团队负责的自动控制原理获批为国家级一流课程和国家精品在线课程，线上选课人数达1万次以上等。（2）建立基于真实场景的三维数字化虚拟仿真本实验以城市追踪为场景，综合利用三维激光扫描、近景摄影测量等多角度、多方法、多源三维数字化测绘方法，获得基于真实场地的1:1三维数据模型，并以此为基础建立3D虚拟仿真场景，让学生对城市追踪场景、无人机系统有直观、准确的理解和感知。该实验系统，将真实项目实践融合进虚拟现实实验中，让学生对目标追踪进行深度学习。实验系统对真实场景、真实材料和真实流程进行仿真，以虚拟浏览、虚拟操作和虛拟设计进行学习，并进行实验成果的评价和反馈。达到以虚拟方式进行实验的训练，以虚拟技术增强现实实验效果，营造出虚实有机融合交互式沉浸体验式的虚拟仿真实验系统。综上所述，本虚拟仿真实验内容充分体现了自动控制领域复杂工程问题和前沿技术动态，项目实施和开展对于提升专业人才培养的内涵、提高学生解决复杂工程问题的能力，具有十分重要的意义。