实验简介：
1.实验的必要性及实用性
当海洋电缆发生故障时，需要智能机器人对故障点进行定位，然后机器人精确导航，行到故障点，再利用机械臂进行专业的打捞、修复或者更换。整个过程费力费时，维修成本很高，且处于高危和极端环境，为了克服海洋电缆检测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，本虚拟实验拟借助多媒体、数字化、网络化软硬件技术，对海洋电缆检测水下机器人进行故障定位、动力驱动、姿态控制、路径规划与机械臂抓取等整个虚拟仿真内容和步骤进行设计，搭建虚拟仿真实验开放、创新的教学平台，使学生对专业知识与理论有切身真实的体验和感性认识。
本虚拟实验依据如下的原则进行了设计。（1）实验项目依托实际工程，设计真实；（2）采用情景式教学方法，增强学生的体验感；（3）教学内容设计全面，循序渐进。
本实验共分五个大的环节：（一）虚拟仿真实验链接与登录/注册环节、（二）水下机器人结构及实验原理认知环节、（三）水下机器人控制（单一任务的操作练习）环节、（四）水下机器人导航与作业（综合操作练习）环节、（五）虚拟实验的总结/评价/整理/退出环节。其中，（二）、（三）、（四）环节的结构。
2.实验系统的先进性
本虚拟仿真实验以海洋电缆检测水下智能机器人导航与作业控制为工程背景，将自动化本科《PLC技术课程设计》的基本知识点分解到“基础型、综合型和提高型”的三类实验中。为了克服海洋电缆检测水下智能机器人在导航与作业控制的真实环境下难以重复、可观察、成本较高、实施难度较大等问题，本项目借助多媒体、数字化、网络化软硬件技术，研发该虚拟仿真实验系统，服务学生的“基本原理学习、综合能力训练、激发创新意识”的培养目标。
实验背景：
海洋电缆主要应用在一些较为重要的场合，比如海上风电场、横越江河港口、陆岛之间的连接、钻井平台之间的互相连接以及跨海军事设施等。随着海洋经济的快速发展，海上各种平台越来越多，海洋电缆得到了大量的使用，同时海洋电缆故障也不断增加。通常情况下，海洋电缆敷设在海底1～2米深处。当发生故障时，首先需要对故障点定位，然后对机器人精确导航，行到故障点，再利用机械臂进行专业的打捞、修复或者更换。实际从对电缆故障定位、导航到修复需要几天甚至几十天时间，耗费大量的人力物力，维修成本很高，且处于高危和极端环境，因此，为了克服海洋电缆检测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，本虚拟实验拟借助多媒体、数字化、网络化软硬件技术，对海洋电缆检测水下机器人进行故障定位、动力驱动、姿态控制、路径规划与机械臂抓取等整个虚拟仿真内容和步骤进行设计，搭建虚拟仿真实验开放、创新的教学平台，使学生对专业知识与理论有切身真实的体验和感性认识。通过该课程的实施，推广虚拟仿真技术在高等教育的应用，提高学生的实践操作能力和解决问题的能力，为培养高素质人才打下坚实基础。
设计原则：
（1）实验项目依托实际工程，设计真实
该虚拟实验是以真实海洋电缆检测水下智能机器人导航与作业控制的场景为参照，基于实际工程案例与数据，采用数字化、信息化、多媒体、虚拟现实等先进技术，针对传统实验教学中难以开展的实验课题，构建的虚拟系统。实验模型与教学软件系统使实验过程能够重现海洋环境系统中装置、模型工作原理及各种物理过程，学生可通过仿真教学软件的操作与使用，学习、理解和掌握水下机器人智能检修海洋电缆的过程和工作原理。
（2）采用情景式教学方法，增强学生的体验感
采用情景式教学方法，使学生可身临其境般沉浸在实验环境中，体验和认知水下机器人对海缆故障定位、动力驱动、姿态控制、路径规划与机械臂抓取的复杂工程问题与过程，提高实验的感性认知度和趣味性。
（3）教学内容设计全面，循序渐进
该虚拟实验包括基础型、提高型和综合型三种类型，循序渐进地提升学生的综合能力。
水下机器人结构及实验原理认知环节属于基础型实验，包括水下机器人结构认知、海洋电缆故障检测及智能定位原理认知、无刷直流电机驱动控制原理认知、水下机器人姿态角度闭环控制原理认知、水下机器人路径规划原理认知和PLC控制的机械臂作业原理认知，学生可了解水下机器人结构及各种实验原理。
水下机器人控制（单一任务的操作练习）环节属于提高型实验，包括海洋电缆检测及智能定位、水下机器人动力驱动控制、水下机器人姿态角度闭环控制和水下机器人路径规划。学生可分别进行海洋电缆检测及智能定位、水下机器人动力驱动控制、姿态角度闭环控制和路径规划的实验过程。
水下机器人导航与作业（综合操作练习）环节属于综合型实验，包括领取海洋电缆故障任务、水下机器人航行综合设计、水下机器人机械臂精细化抓取实验。
实验目标：
本虚拟仿真实验以海洋电缆检测水下智能机器人导航与作业控制为工程背景，将自动化本科《PLC技术课程设计》的基本知识点分解到“基础型、综合型和提高型”的三类实验中。为了克服海洋电缆检测水下智能机器人在导航与作业控制的真实环境下难以重复、可观察、成本较高、实施难度较大等问题，本项目借助多媒体、数字化、网络化软硬件技术，研发该虚拟仿真实验系统，服务学生的“基本原理学习、综合能力训练、激发创新意识”的培养目标。课程围绕立德树人根本任务，以提升质量为导向，着力培养高层次应用型创新人才为目标，积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的教育信息化实验教学项目新体系，支撑教育教学质量全面提高。
通过虚拟仿真实验的内容和步骤设计，具体达成以下实验教学目标：
1.直观形象地感受海洋的“复杂性、多变性和随机性”环境特性，让学生体会到在海洋水下环境下电缆检测机器人控制与导航的复杂工程问题的内涵与意义。
2.虚拟再现水下机器人海洋电缆故障定位的实施步骤与效果检验，使学生理解用脉冲衰减法提取的特征值数据和距离数据对神经网络的解算方法及关键参数的设置；
3.可视化、动态化地模拟水下机器人电机驱动、姿态估计与控制、路径规划的实施步骤与效果检验，使学生掌握水下机器人导航的参数设置方法和控制算法实施效果。
4.可视化、互动化地模拟水下机器人机械臂作业控制的实施步骤与效果检验，使学生掌握水下机器人机械臂完成抓取等作业的参数设置方法和控制算法实施效果。
基于海洋电缆检测水下机器人控制与导航的实际案例与工程实测数据，以虚拟现实的方式，帮助学生自主探究海洋电缆故障定位、水下机器人精确导航和机械臂作业的控制参数设置方法和控制方案设计，观察实施效果。
实验要求：
一、课程本身要求
1.课程要求具有“高阶性、创新性、挑战度”，通过建强教学团队、优化教学内容、创新教学方法、完善课程评价等方式，切实提高教学质量，着力打造虚拟仿真实验“金课”。
（1）提升高阶性。课程目标坚持知识能力素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。课程内容强调广度和深度，突破习惯性认知模式，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力。
（2）突出创新性。教学内容体现前沿性与时代性，及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程。方法体现先进性与互动性，大力推进现代信息技术与教学深度融合，积极引导学生进行探究式与个性化学习。
（3）增加挑战度。课程设计增加研究性、创新性、综合性内容，加大学生学习投入，科学“增负”，让学生体验“跳一跳才能够得着”的学习挑战。严格考试评价，增强学生经过刻苦学习收获能力和素质提高的成就感。
2.课程设计的课时和操作步骤适当。纳入本专业教学计划，且满足6个课时的实验教学需求，学生实际参与的交互性实验操作步骤须不少于10步。
3.有准确适宜的教学内容，坚持问题导向，面向实验教学培养目标，坚持“能实不虚”的原则，重点解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难，涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题。
二、所面向学生的要求
1.要求学生学习过《电路》、《数字电路》、《模拟电路》、《C语言》、《自动控制原理》等软硬件基础知识和一定的编程能力。
2.有工匠精神、钻研精神和团结协作能力。
