虚拟实验环境是虚拟现实技术与传统实验教学的有机结合,涉及虚拟现实、人机交互、人工智能、计算机图形学、教育学等多学科的综合知识,其目的在于通过计算机生成一个“逼真”的三维虚拟学习环境,使学生可以完全“沉浸”于其中,亲自动手操作各种实验设备,验证各种方法与原理,加深对理论知识的理解,大大提高学生实践动手能力和学习效果。同时,在虚拟实验环境中,学生可以打破传统实验环境的时间和空间约束,避免各种不安全因素,构想出各种实验方案,进行自主性、探索性学习,充分激发学生的创造力。本文面向自动控制虚拟实验环境的应用需求,研究了虚拟实验环境的设计与实现关键技术,一方面为高等教育信息化建设提供技术支撑;同时也为虚拟现实、人机交互技术的研究与应用提供验证平台。主要研究内容包括:1.提出面向自动控制的虚拟实验环境层次化体系框架。该框架由仿真平台层、应用层和人机交互层组成,既体现了虚拟环境的特征,又考虑传统实验教学的特点与教学策略,突出了虚拟实验环境的交互性、构想性、沉浸感、开放性等。2.研究了虚拟实验环境模型构建关键技术。结合自动控制中典型倒立摆实验,阐述了虚拟实验环境的几何建模、物理建模、行为建模等基本方法,具体分析了倒立摆系统稳定性模型及其行为构建方法,研究了虚拟角色的几何建模和行为控制方法,讨论了虚拟实验环境的渲染技术。3.研究了虚拟实验环境人机交互技术及其设计方法。在虚拟实验环境碰撞检测技术研究的基础上,设计了基于碰撞检测的虚拟环境语义信息交互机制;研究、设计了虚拟实验环境漫游控制及其交互方法,引导用户自主完成虚拟实验环境的操作;研究了体感交互技术,以及基于kinect的体感交互设计方法,实现了基于Kinect的虚拟实验环境体感交互及语音交互模式。4.面向自动控制中典型倒立摆实验,设计、开发了虚拟实验环境系统。目前该系统包括用户管理模块、虚拟环境漫游模块、倒立摆模型PPT演示模块、倒立摆实验演示模块、体感交互控制模块和系统性能测试模块。通过典型交互场景,测试、验证了虚拟实验环境系统功能及其交互方法的准确性和有效性。