基于OBE的“無人機控制系統(tǒng)”工程教育模式研究

秦玉鑫　劉兆瑜　陳宇

摘 要 無人機技術(shù)的飛速發(fā)展，必將成為未來許多產(chǎn)業(yè)不可或缺的組成部分，對于高等學(xué)校的電子信息工程專業(yè)，開設(shè)“無人機控制系統(tǒng)”課程十分必要，針對該課程的特點，通過理論與實踐教學(xué)相結(jié)合，才能有效提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。本文根據(jù)無人機控制系統(tǒng)的特點，基于OBE工程教育模式，設(shè)計了該課程的實踐教學(xué)方案，不但能夠使學(xué)生深入理解“無人機控制系統(tǒng)”課程的概念和理論，而且能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，最終提高該課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 無人機控制系統(tǒng) 實踐教學(xué) OBE 教學(xué)模式

中圖分類號：G424 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.02.046

Research of "Control System of UAV" Project Teaching Mode Based on OBE

QIN Yuxin， LIU Zhaoyu， CHEN Yu

（College of Electronics and Communication Engineering， Zheng Zhou University of

Aeronautics， Zhengzhou， Henan 450000）

Abstract The rapid development of UAV technology will surely become an indispensable part of many industries in the future. For the colleges and universities of electronic information engineering， it is necessary to open the courses of “Control System of UAV”. For the characteristics of the course， an effective way to improve the quality of teaching is the combination of theory and practice teaching. According to the characteristics of this course， this paper designs a practical teaching plan based on the OBE engineering teaching mode. The program enables students to understand the concepts and theories of “Control Systems of UAV”. It also can develop students' ability of innovate， and ultimately improve the quality of teaching this course.

Keywords UAV Control System； practical teaching； OBE； teaching mode

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)遠程控制或自主飛行的非載人飛行器，與有人駕駛的飛行器相比具有許多突出的優(yōu)勢，首先無人機基本能夠?qū)崿F(xiàn)有人駕駛飛行器的大多數(shù)功能，能夠攜帶有效載荷，可以執(zhí)行運輸、航拍、監(jiān)測、遙感測繪等任務(wù)，同時在能源供給充足的條件下可以連續(xù)飛行執(zhí)行任務(wù)，無需進行人員的休息。無人機的這些優(yōu)勢，促使無人機產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，僅2014、2015、2016這三年的時間，中國無人機工業(yè)的規(guī)模達到了近53億元的產(chǎn)值，根據(jù)近年的增長速度，到2020年無人機產(chǎn)業(yè)將達到165億元的市場規(guī)模，發(fā)展前景廣闊。

2017年4月，教育部發(fā)布了2017年全國高校本科專業(yè)新增的審批名單，其中包含了7個與無人機相關(guān)的專業(yè)，說明國家對無人機相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的本科教育越來越重視。無人機的相關(guān)技術(shù)涉及面非常廣泛，是一個典型的交叉學(xué)科，包括空氣動力學(xué)、材料學(xué)、機電一體化、自動控制、人工智能等等，對于無人機系統(tǒng)而言，最為核心的就是無人機的飛行控制系統(tǒng)，通過對無人機控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)能夠使本科生將所學(xué)到的知識得到一個綜合的應(yīng)用，對提高本科生的實踐和創(chuàng)新能力大有幫助。

1 課程工程教育實踐環(huán)節(jié)的必要性

1.1 課程對實踐的需求分析

對于大學(xué)生的本科教育而言，其中有一個非常重要也是必不可少的教學(xué)環(huán)節(jié)就是實踐教學(xué)。2007年，國家教育部發(fā)布了《教育部關(guān)于進一步深化本科教學(xué)改革全面提高教學(xué)質(zhì)量的若干意見》，在該意見中明確指出，要求全國的各個本科高等院校，要對實踐環(huán)節(jié)高度重視，培養(yǎng)和提高本科生的實踐能力。對于實驗、實習(xí)、畢業(yè)設(shè)計等環(huán)節(jié)，要進行大力的加強，并對教學(xué)中實踐環(huán)節(jié)的累計學(xué)分進行了量化規(guī)定，要求人文社科類專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)累計學(xué)分應(yīng)大于總學(xué)分的百分之十五，理工類應(yīng)大于百分之二十五。通過對實驗內(nèi)容和形式的不斷革新，提高本科生的動手技能，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決復(fù)雜問題的能力。

無人機控制系統(tǒng)是一門實踐性很強的課程。首先，該課程是一門涉及到多個領(lǐng)域的交叉性學(xué)科，包括：“電路”、“模擬電子技術(shù)”、“數(shù)字電子技術(shù)”、“自動控制原理”、“通信原理”、“數(shù)字圖像處理”、“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”等多門學(xué)科，所以本課程在內(nèi)容講授時較為抽象，理解難度大，具有較強的理論性，同時涉及到的知識點和知識面較寬，同時也比較考驗學(xué)生的基礎(chǔ)數(shù)學(xué)和物理的能力水平，所以如果只有理論教學(xué)沒有實踐教學(xué)，會使學(xué)生在學(xué)習(xí)本課程時較為困難，同時容易喪失學(xué)習(xí)的興趣。在對該課程的教學(xué)過程中，基于OBE工程教育模式，加強實踐教學(xué)手段，通過實踐教學(xué)，使學(xué)生更加直觀、具體的學(xué)習(xí)無人機控制系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容，加深對知識體系的理解。其次，無人機系統(tǒng)在飛控調(diào)試方面，雖然可以在模擬器上進行調(diào)試，但最終還是需要在實際的無人機上進行飛行試驗，所以實踐教學(xué)不僅是課程本身教學(xué)的需要，同時，通過對無人機進行組裝和調(diào)試，加強學(xué)生的實際操作和動手能力，培養(yǎng)學(xué)生掌握一門無人機實際操作的技能。

1.2 課程對實踐的要求分析

根據(jù)無人機控制系統(tǒng)課程的特點，首先要達到加強學(xué)生對理論知識的理解，對基本控制方法的掌握；其次要將書本上所學(xué)的知識用于實際的問題當(dāng)中；三是增強學(xué)生對無人機領(lǐng)域的興趣，對興趣較高，學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生進行專項培養(yǎng)，力爭培養(yǎng)出更多的專業(yè)人才。

在實踐教學(xué)的過程中，還要注重因材施教，因為學(xué)生的理論知識水平和興趣點有所不同，在進行試驗方案的設(shè)計時必須要兼顧較短時間和最大程度地使學(xué)生得到鍛煉。通過必要的實驗設(shè)備和實驗方案，結(jié)合無人機領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，在關(guān)鍵問題上充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性和創(chuàng)造力，提高實踐教學(xué)的效率和水平。

2 課程的實踐方案設(shè)計

目前比較常見的無人機為多旋翼式無人機，這種類型的無人機結(jié)構(gòu)相對簡單，易于控制，較固定翼無人機操縱靈活，機動性強，所以本方案選用四旋翼式無人機作為實驗對象。無人機控制系統(tǒng)當(dāng)中，最關(guān)鍵也是最為核心的問題就是旋翼的控制，通過對旋翼進行控制，產(chǎn)生不同方向的升力，用于控制無人機的姿態(tài)和航向。根據(jù)此特點，鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院電子信息工程專業(yè)建設(shè)了無人機創(chuàng)新實驗室，用于無人機控制系統(tǒng)課程的實驗。

在實驗設(shè)備的選擇上，根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)無人機實驗設(shè)備的發(fā)展情況，并結(jié)合該課程的特點，對實驗設(shè)備進行了選型。首先在無人機的選擇方面，選定了四旋翼的無人機散件，學(xué)生通過對散件進行組裝，不僅鍛煉了學(xué)生的動手能力，同時可以幫助學(xué)生對無人機的結(jié)構(gòu)進行全面的了解，為后續(xù)的實驗奠定良好的基礎(chǔ)。每一架同時配備有地面站，當(dāng)無人機飛行時，地面站可顯示無人機的飛行狀態(tài)，實時傳輸飛行數(shù)據(jù)和圖像，如圖1所示。地面站通過與無人機間的數(shù)據(jù)傳輸，能夠直觀地使學(xué)生認識到無線通信技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈相關(guān)的技術(shù)，并且通過對該技術(shù)的運用，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，加深學(xué)生對“通信原理”、“數(shù)字信號處理”等理論課程的理解。

“無人機控制系統(tǒng)”課程講授中，由于無人機旋翼控制方面最核心的知識是對電機的選擇和控制。電機控制旋翼產(chǎn)生升力和扭矩，控制每一個電機的轉(zhuǎn)速，就能夠?qū)o人機的航向和飛行高度與姿態(tài)進行控制，同時不同尺寸的機架要配備不同馬力的電機，為了使學(xué)生對旋翼產(chǎn)生的升力和扭矩有一個直觀的認識和理解，同時便于測量旋翼產(chǎn)生的升力和扭矩對整個機體的影響，設(shè)計了飛行器動力系統(tǒng)拉力和扭矩測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的組成為高級電機、旋翼、電調(diào)、動力電池，其測試結(jié)果可用于系統(tǒng)方正建模，參數(shù)的獲取，以及校準(zhǔn)動力系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)備如圖2所示。

該測量系統(tǒng)采用，封閉式箱體設(shè)計，實現(xiàn)100%安全防護，箱體上開有氣孔避免外界因素對測量結(jié)果的影響。適配性設(shè)計保證適配各種型號的電機，不同的電機使用不同的夾具。帶有轉(zhuǎn)速傳感器，可以測量電機轉(zhuǎn)速，實時輸出轉(zhuǎn)速和拉力/扭矩曲線，學(xué)生可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，用于四旋翼動力系統(tǒng)建模仿真的輸入建模參數(shù)。通過接口總線將測量拉力數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)缴衔粰C進行數(shù)據(jù)顯示、存儲和后續(xù)處理。通過動力系統(tǒng)拉力測量系統(tǒng)可以測量輸出PWM-轉(zhuǎn)速曲線，轉(zhuǎn)速-拉力/扭矩曲線和轉(zhuǎn)速-電流曲線等。

對飛控系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)進行講解時，借助四軸調(diào)姿調(diào)參測試系統(tǒng)輔助授課。該系統(tǒng)主要是針對在四軸飛行器外場試飛之前，可以在室內(nèi)進行簡單的束縛飛行試驗，從而在安全可靠，不易導(dǎo)致機體損壞的基礎(chǔ)上，初步摸底飛行控制算法是否有功能上的調(diào)試缺陷，該設(shè)備如圖3所示，該設(shè)備帶有全方位保護罩，實現(xiàn)安全防護，懸臂帶有角度傳感器，可實時將采集姿態(tài)信息顯示在系統(tǒng)外框顯示屏上，同時通過總線把采集實驗數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機顯示并記錄，在工控上位機可實時顯示還原飛行器內(nèi)部數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并存儲數(shù)據(jù)，供后續(xù)分析使用。測試系統(tǒng)為初始中性穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，最大程度還原實際飛行情況，最大限度實現(xiàn)與自由飛行狀態(tài)的無差別3自由度還原。

無人機飛行過程中，陀螺儀和加速度計是極為重要的核心部件，在飛行之前需要對該核心部件進行校準(zhǔn)，微機電傳感器測量校準(zhǔn)系統(tǒng)就是用來完成該工作。借助微機電傳感器測量校準(zhǔn)平臺，檢驗測量校準(zhǔn)飛控開發(fā)板板載的MEMS微機械傳感器元件的輸出數(shù)據(jù)，從而獲取傳感器數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)系數(shù)以及噪聲特性分析。校準(zhǔn)平臺如圖4所示。

該校準(zhǔn)系統(tǒng)的飛控板夾持式設(shè)計，適配各種尺寸的飛控系統(tǒng)。采用行星減速電機，精準(zhǔn)控制各個軸轉(zhuǎn)動角度。帶有調(diào)平角度尺，保證測試時設(shè)備水平，測試參數(shù)真實有效。

基于OBE工程教育模式對“無人機控制系統(tǒng)”課程的授課形式進行設(shè)計，學(xué)生通過親自動手對無人機組裝調(diào)試，能夠保證學(xué)生對無人機控制系統(tǒng)核心部件有了一個深入的了解，同時可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進行模擬仿真，對今后無人機控制系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)奠定理論基礎(chǔ)。借助開源飛控芯片，對學(xué)習(xí)能力較強的同學(xué)，還可以通過自主設(shè)計和編寫飛控程序，應(yīng)用已有設(shè)計平臺完成飛控程序的調(diào)試，使學(xué)生較為全面、系統(tǒng)和深入的學(xué)習(xí)無人機相關(guān)的知識，為“無人機控制系統(tǒng)”的理論教學(xué)提供幫助。

3 結(jié)束語

本文基于OBE工程教育模式，將無人機控制系統(tǒng)的理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)進行有機的結(jié)合，使學(xué)生對無人機的發(fā)展，目前無人機的一些前沿科技有所了解，在學(xué)習(xí)控制理論的同時培養(yǎng)了學(xué)生的動手能力，對于有能力的學(xué)生，同時深入學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可以使學(xué)生掌握一門前沿的技術(shù)，最終達到提高無人機控制系統(tǒng)課程和整個電子信息工程專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量。

本文受2017年教學(xué)調(diào)研基金“基于OBE的專業(yè)人才培養(yǎng)方案的重構(gòu)與實施”（No. zhjxdy2017-11）及2017年度鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院教育科學(xué)研究基金項目“電子信息工程（無人機方向）專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革研究”（No. zhjy17-41）支持

參考文獻

[1] 劉軍輝，蔣曉瑜，汪熙.無人機裝備教學(xué)研究與實踐[J].科教導(dǎo)刊，2016.1（24）：60-62.

[2] 郭相王，宏新，劉長亮.無人機虛擬專修室在士官學(xué)校的建設(shè)研究[J].科教導(dǎo)刊，2012.8（24）：7-9.

[3] 蘇挺超，陳陽鍵.論高等教育領(lǐng)域多軸無人機實訓(xùn)室的建設(shè)[J].電腦知識與技術(shù)，2016.12（18）：230-231.

[4] 梅曉丹，王曉宇，丁乾坤等.虛擬航空攝影測量實驗系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].測繪工程，2015.24（12）：75-80.

[5] 于進勇，寇昆湖，陳勇等.無人機模擬訓(xùn)練教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].實驗室研究與探索，2014.33（7）：221-224.

[6] 易俐娜.無人機數(shù)據(jù)處理技術(shù)教學(xué)方法研究[J].教育教學(xué)論壇，2016（1）：182-183.

[7] 林冬生，鄭幸，鮑傳美.無人機模擬訓(xùn)練視景仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用，2007（26）：107-108.