基于無人機(jī)測控的電子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革

劉靖宇 滕云萍 李鵬 沈曄

摘要：無人機(jī)在各行各業(yè)的應(yīng)用中，有其不可替代的優(yōu)勢，而在電子設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生缺乏對(duì)無人機(jī)的測控實(shí)踐和應(yīng)用。所以該教學(xué)改革旨在利用無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)自動(dòng)控制、嵌入式開發(fā)、傳感器應(yīng)用等課程知識(shí)的踐與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)測控；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；電子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

無人機(jī)具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，已經(jīng)成為世界各國爭相研究的熱點(diǎn)課題，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等行業(yè)，無人機(jī)都發(fā)揮著重要的作用。隨著傳感器、嵌入式處理器、通信等技術(shù)的快速發(fā)展和性能提升，無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)與高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)、智能制造技術(shù)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)等多種產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域緊密對(duì)接。

科技的進(jìn)步，也促進(jìn)著教育事業(yè)的發(fā)展。在教育部大力支持下，開展了很多學(xué)術(shù)競賽，其中包括全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽，多旋翼飛行器的設(shè)計(jì)也成為題目之一，不僅體現(xiàn)競賽對(duì)知識(shí)積累的更高要求和對(duì)科技創(chuàng)新的結(jié)合與應(yīng)用，更能體現(xiàn)我國對(duì)無人機(jī)發(fā)展的重視。從2013年開始，全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽率先將多旋翼飛行器作為選題之一放入到競賽當(dāng)中，隨后幾年，更是不斷提高賽題難度，無疑也是對(duì)參賽學(xué)校和參賽選手的一個(gè)重大考驗(yàn)。

以往各大高校中的機(jī)電相關(guān)專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程缺少一個(gè)能將機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)、嵌入式應(yīng)用、傳感器測控、計(jì)算機(jī)語言編程、控制算法等多個(gè)科目類別綜合運(yùn)用訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如今無人機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域興起，正是一個(gè)很好的契機(jī)與平臺(tái)，無人機(jī)不僅綜合了多個(gè)科目實(shí)踐研究的內(nèi)容，還伴隨著大量的創(chuàng)客空間與企業(yè)的興起，技術(shù)與資料愈發(fā)的成熟和完善，且各大高校和職業(yè)院校也開始著手申請無人機(jī)專業(yè)和制定相關(guān)課程，以適應(yīng)科技發(fā)展和學(xué)生能力培養(yǎng)，但是還有很多本科院校目前還未對(duì)無人機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)廣泛開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

本校為了提高實(shí)驗(yàn)室資源，整合了多套基礎(chǔ)儀器設(shè)備，完成了電子電氣類開放實(shí)驗(yàn)室的初步建設(shè)，已經(jīng)向全校的教師、學(xué)生開放，為配合該開放實(shí)驗(yàn)室硬件設(shè)施配置，對(duì)無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做出相應(yīng)設(shè)計(jì)。

1無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1“積木式”硬件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，采用“積木式”搭建的方式，使用不同的單片機(jī)、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、通信模塊等外圍硬件，可以實(shí)現(xiàn)不同的教學(xué)課程，包括STC8系列單片機(jī)、TM4C系列單片機(jī)、STM32系列單片機(jī)、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計(jì)、藍(lán)牙通信、2.4G無線通信、無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)等內(nèi)容。

“積木式”設(shè)計(jì)可以增加學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力，接口開放程度比較大，可以更方便的接入其他硬件外設(shè)，并且可以更好的適應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)、學(xué)科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目等教學(xué)任務(wù)中。

1.2上位機(jī)功能

上位機(jī)軟件包含傳感器校準(zhǔn)、單片機(jī)設(shè)置、傳感器搭配方式、遙控器設(shè)置、通信協(xié)議設(shè)置、PID調(diào)參等功能。學(xué)生可以通過對(duì)不同傳感器的搭配，運(yùn)用不同的算法，來實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)的控制，以得到對(duì)自動(dòng)控制原理、嵌入式開發(fā)、傳感器應(yīng)用等課程的理解與吸收。

無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的PID算法調(diào)參是在上位機(jī)上進(jìn)行操作的，通過實(shí)時(shí)對(duì)不同不同參數(shù)調(diào)整，可以直觀的看到無人機(jī)姿態(tài)做出的反應(yīng)，也可對(duì)比不同參數(shù)下，無人機(jī)對(duì)姿態(tài)調(diào)整的反響速度。除此之外，還能通過波形圖觀察無人機(jī)三個(gè)軸向的姿態(tài)、加速度、角速度及PID參數(shù)的響應(yīng)速度。

1.3安全防護(hù)

無人機(jī)擁有高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，槳葉在無刷電機(jī)的帶動(dòng)下，擁有很大的破壞力，故對(duì)學(xué)生的安全也尤為重要。

首先，無人機(jī)的軸距是可以由螺旋槳的尺寸決定的，作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，螺旋槳尺寸不宜太大，所以無人機(jī)的軸距在220mm較為合適，這樣不僅可以在外圍加裝全包圍的防護(hù)圈，還能選擇小尺寸的螺旋槳。其次，無人機(jī)在控制程序上，須將無人機(jī)過傾保護(hù)作為最高級(jí)的中斷，一旦無人機(jī)出現(xiàn)異常，在角度過大的情況下，無人機(jī)的螺旋槳能立刻停止旋轉(zhuǎn)，第一時(shí)間保護(hù)學(xué)生不被螺旋槳傷害到。最后，無人機(jī)供電使用大功率直流電源箱供電，在異常情況下，學(xué)生可以在第一時(shí)間內(nèi)，通過關(guān)閉電源來使無人機(jī)停止工作，以達(dá)到保護(hù)自身或其他人安全的目的。

2實(shí)踐模式

2.1配合專業(yè)學(xué)科實(shí)驗(yàn)

無人機(jī)涉及到很多學(xué)科類別，例如電子、自動(dòng)化、電氣、通信、計(jì)算機(jī)等專業(yè)，包含的課程知識(shí)有單片機(jī)、無線通信、傳感器應(yīng)用、控制算法、自動(dòng)控制等內(nèi)容?？梢詫o人機(jī)中涉及到的知識(shí)，拆分到不同課程中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容，最后在暑期的課程設(shè)計(jì)中，將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容進(jìn)行整合，對(duì)學(xué)生做課程設(shè)計(jì)實(shí)踐，以達(dá)到對(duì)無人機(jī)專業(yè)知識(shí)的全面學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

2.2配合同舟學(xué)院和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程

可以在新建設(shè)的電子電氣類開放實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行選修課程，除了固定時(shí)間指導(dǎo)外，學(xué)生還可以自由選擇時(shí)間去實(shí)驗(yàn)室動(dòng)手實(shí)踐，不僅能享受到邊學(xué)邊實(shí)踐的過程，還可以體驗(yàn)到設(shè)計(jì)無人機(jī)的樂趣。

2.3配合畢業(yè)設(shè)計(jì)和課程設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)是將在大學(xué)期間所學(xué)知識(shí)的一個(gè)實(shí)踐應(yīng)用，并對(duì)自身所學(xué)知識(shí)水平的提高，而課程設(shè)計(jì)則是對(duì)本學(xué)年內(nèi)所學(xué)課程的一個(gè)階段性總結(jié)。無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自身擁有難、易多層次的性質(zhì)，可以針對(duì)課程設(shè)計(jì)來教授其中的一部分知識(shí)，例如電子線路布置、芯片焊接工藝、單片機(jī)應(yīng)用、通信接口與協(xié)議等內(nèi)容。還可以針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生開發(fā)設(shè)計(jì)無人機(jī)的其他應(yīng)用，例如航拍、測繪、植保、檢修、預(yù)警、巡邏等。

無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是“承上啟下”的學(xué)習(xí)平臺(tái)。“承上”可以搭配不同的模組在不同應(yīng)用領(lǐng)域中進(jìn)行實(shí)際的工作，“啟下”則可以針對(duì)不同專業(yè)學(xué)科進(jìn)行理論課程實(shí)踐，不僅讓學(xué)生對(duì)無人機(jī)的科學(xué)技術(shù)和專業(yè)知識(shí)在學(xué)習(xí)的過程中充分融合，還能對(duì)社會(huì)上科技的發(fā)展有進(jìn)一步的了解與認(rèn)識(shí)。

2.4配合學(xué)科競賽、大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目

隨著無人機(jī)的興起，很多大學(xué)生科技競賽都出現(xiàn)了有關(guān)無人機(jī)的賽題，例如：全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽。本校從2013年開始參加電賽中的四旋翼飛行器賽題，這也使得無人機(jī)項(xiàng)目一直作為我校大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目的重點(diǎn)研究項(xiàng)目，從開始的設(shè)計(jì)，到近幾年的圖像識(shí)別，每一屆學(xué)生都將相關(guān)知識(shí)傳承下去。如今市面上的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)逐步走進(jìn)大學(xué)生的視野，無人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)作為大學(xué)生與專業(yè)知識(shí)的契合點(diǎn)，極大的增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，也能體會(huì)到自己動(dòng)手并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去體驗(yàn)無人機(jī)的設(shè)計(jì)過程。

3結(jié)語

總之，學(xué)生的創(chuàng)新能力和專業(yè)知識(shí)實(shí)踐都具有長期性和系統(tǒng)性，在學(xué)生的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程上，需要多方位的、系統(tǒng)的、與科技相結(jié)合的去培養(yǎng)他們的能力，讓學(xué)生有更好的專業(yè)能力和知識(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳霖，周廷，劉占超. 基于項(xiàng)目導(dǎo)向的《無人機(jī)系統(tǒng)》課程教學(xué)改革實(shí)踐，教育現(xiàn)代化，2018年29期

[2]溫凱，陳繆. 全尺寸四旋翼無人機(jī)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)與課程開發(fā)，實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018年09期

[3]曾舒婷，夏慶峰. 高等學(xué)校無人機(jī)課程的跨學(xué)科教學(xué)研究，電腦知識(shí)與技術(shù)，2018年29期

[4]雷英棟，吳湘蓮，周樂. 高職院校開設(shè)無人機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)公選課的探索，職業(yè)，2019年05期

[5]褚麗娜，劉新海，趙月飛，李愛華. 無人機(jī)裝備教學(xué)的信息化改革研究，高師理科學(xué)刊，2018年12期

項(xiàng)目來源：同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院第七屆教改項(xiàng)目第43號(hào)，項(xiàng)目編號(hào)：0118043

（作者單位：同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院）