鄔玲偉 雷必成 林志明 梅盼

摘 要 無(wú)人機(jī)由于成本低、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和機(jī)動(dòng)性高等特性，近年來(lái)發(fā)展迅速。無(wú)人機(jī)技術(shù)也逐漸走進(jìn)課堂，甚至成為高校專業(yè)發(fā)展的方向。本文介紹了無(wú)人機(jī)課程理論與實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。由淺入深，循序漸進(jìn)，逐步引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)操控四旋翼無(wú)人機(jī)、編寫(xiě)無(wú)人機(jī)程序代碼以及組隊(duì)完成綜合性課程設(shè)計(jì)等這一系列課程內(nèi)容，提高無(wú)人機(jī)課堂教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 無(wú)人機(jī) 四旋翼 課程教學(xué) 實(shí)踐訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.03.020

Research on Theory and Practice Teaching Reform of UAV Courses

WU Lingwei， LEI Bicheng， LIN Zhiming， MEI Pan

（School of Electronics & Information Engineering， Taizhou University， Taizhou， Zhejiang 318000）

Abstract Due to the characteristics of low cost， simple mechanical structure and high maneuverability， UAV has developed rapidly in recent years. UAV technology has gradually entered the classroom， and even become the direction of professional development in colleges and universities. This paper introduces the UAV course theory and practice teaching content. From simple to deep， the course gradually guides the students to learn to operate the quad-rotor UAV， write the UAV program code and complete the comprehensive course design by forming a team， so as to improve the quality of UAV classroom teaching.

Keywords UAV; quad-rotor; course teaching; practical training

隨著我國(guó)通用航空體制的不斷改革與完善，無(wú)人機(jī)行業(yè)將迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。[1-3]《浙江省航空產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃》提出，到2020年全省形成年交付大中型無(wú)人機(jī)1000架以上的能力，培育10個(gè)航空特色小鎮(zhèn)。無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展急需無(wú)人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用、管理方面的綜合性人才。當(dāng)前無(wú)人機(jī)操控和開(kāi)發(fā)人員極少，行業(yè)需求與高校輸送的相關(guān)專業(yè)人才成反比。因此，深化加強(qiáng)無(wú)人機(jī)教學(xué)課程改革和實(shí)踐工作，對(duì)于培養(yǎng)大量?jī)?yōu)秀的無(wú)人機(jī)相關(guān)專業(yè)人才具有重要意義。[4-5]

1課程教學(xué)現(xiàn)狀

教育部于2016年新增“無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)工程”本科專業(yè)，目前僅有北航和臺(tái)州學(xué)院等23所院校將無(wú)人機(jī)納入本科教育。因此，無(wú)人機(jī)本科專業(yè)人才培養(yǎng)近幾年才剛起步。我校于2016年在電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)方向課程，每年近150名學(xué)生選課，積累了一定的辦學(xué)經(jīng)驗(yàn)。然而，無(wú)人機(jī)作為一個(gè)新興領(lǐng)域，傳統(tǒng)的課程體系和教學(xué)方法已不能很好支持無(wú)人機(jī)方向課程的有效教學(xué)，且存在如下幾個(gè)問(wèn)題：

1.1課題體系與課時(shí)量不足

無(wú)人機(jī)方向課程由“無(wú)人機(jī)原理與構(gòu)造”“自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)”“無(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)”三門(mén)課程組成?！盁o(wú)人機(jī)原理與構(gòu)造”課要求學(xué)生了解無(wú)人機(jī)相關(guān)知識(shí)，并培養(yǎng)無(wú)人機(jī)組裝、調(diào)試和操控能力。據(jù)調(diào)查，天途航空AOPA無(wú)人機(jī)培訓(xùn)中安排理論課程60學(xué)時(shí)和實(shí)操培訓(xùn)74學(xué)時(shí)。本課程僅安排32學(xué)時(shí)。“嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用”是“自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)”的基礎(chǔ)課程，但部分學(xué)生并未選這門(mén)課，很難學(xué)懂學(xué)深飛控程序。該課程以程序設(shè)計(jì)為主，僅安排32學(xué)時(shí)?！盁o(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)”課程介紹衛(wèi)星和慣性導(dǎo)航等知識(shí)，而其它高校將“衛(wèi)星導(dǎo)航”和“慣性導(dǎo)航”作為兩門(mén)課程開(kāi)設(shè)，我們并未開(kāi)設(shè)這兩門(mén)課程。本課程僅安排32學(xué)時(shí)，很難深入學(xué)習(xí)。

1.2教材不適用

教材是無(wú)人機(jī)課程的核心，是保證課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的教材編寫(xiě)也剛剛起步，相關(guān)配套的PPT更少。照搬傳統(tǒng)的航空類教材授課，往往導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不強(qiáng)、學(xué)習(xí)效果不佳等問(wèn)題。此外，僅有的無(wú)人機(jī)相關(guān)教材也不是很適合于本校無(wú)人機(jī)課程的教學(xué)。

1.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不適用

雖然已采購(gòu)25套四旋翼無(wú)人機(jī)作為教學(xué)使用，但每年近150名學(xué)生選課，無(wú)人機(jī)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在教學(xué)過(guò)程中無(wú)人機(jī)的損耗率也較高。已采購(gòu)的無(wú)人機(jī)采用PIXHAWK飛控，雖然能滿足無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)教學(xué)課程要求，但存在如下問(wèn)題：PIXHAWK受硬件限制開(kāi)發(fā)程度不高，很難進(jìn)行二次開(kāi)發(fā);PIXHAWK雖然二次開(kāi)發(fā)程度高于APM，但開(kāi)源代碼以及各部分使用例程軟件開(kāi)放程度相對(duì)較為復(fù)雜。對(duì)于目前學(xué)生教學(xué)要求以及學(xué)生能力要求較高，使用相對(duì)困難。

1.4課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課后作業(yè)的有效性不好

從無(wú)人機(jī)方向課程的教學(xué)情況來(lái)看，部分學(xué)生對(duì)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課后作業(yè)的參與意愿不強(qiáng)，態(tài)度不認(rèn)真。尤其是“自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)”屬于程序類教學(xué)課程，課程設(shè)置的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課后作業(yè)大多為在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的編程題，抄襲難度低（可直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行復(fù)制粘貼），班級(jí)整體不乏直接抄襲等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象使得課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課后作業(yè)的教學(xué)效果大打折扣。

2 課程教學(xué)內(nèi)容改革

無(wú)人機(jī)方向課程旨在通過(guò)一系列的理論和實(shí)踐內(nèi)容，不僅讓學(xué)生掌握無(wú)人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和飛行控制技術(shù)等知識(shí)，而且能夠激發(fā)學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)的學(xué)習(xí)興趣。在注重?zé)o人機(jī)基本知識(shí)和基本方法等內(nèi)容由淺入深和循序漸進(jìn)授課的同時(shí)，更加突出無(wú)人機(jī)應(yīng)用。

2.1 “無(wú)人機(jī)原理與構(gòu)造”課程教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

“無(wú)人機(jī)原理與構(gòu)造”課作為無(wú)人機(jī)方向的第一門(mén)課，學(xué)生開(kāi)始時(shí)最想學(xué)的是“飛”。應(yīng)減少晦澀難懂的理論知識(shí)，增加實(shí)踐操控內(nèi)容。強(qiáng)調(diào)核心知識(shí)點(diǎn)，盡量以視頻或動(dòng)畫(huà)形式向?qū)W生講解，使學(xué)生能夠快速的掌握理論知識(shí)。課程實(shí)踐內(nèi)容融合了AOPA無(wú)人機(jī)駕駛員實(shí)踐飛行訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，主要分為3個(gè)部分：

2.1.1課程實(shí)驗(yàn)安排從基礎(chǔ)入手，分段培養(yǎng)

在無(wú)人機(jī)組裝和調(diào)試方面，要求學(xué)生：能夠根據(jù)無(wú)人機(jī)硬件平臺(tái)使用說(shuō)明書(shū)進(jìn)行拆裝調(diào)試無(wú)人機(jī);在不安裝槳葉的情況下完成機(jī)架選型，加速度計(jì)、羅盤(pán)、遙控器和電調(diào)校準(zhǔn)以及飛行模式設(shè)置，并熟悉基本飛行操控流程;學(xué)會(huì)無(wú)人機(jī)的故障查找和維修。

2.1.2模擬器先行，訓(xùn)練基本操控方法和方向感

在無(wú)人機(jī)模擬器練習(xí)方面，要求學(xué)生：熟悉樂(lè)迪AT9遙控器，知道什么是美國(guó)手，什么是遙控器通道，并學(xué)會(huì)通過(guò)遙控器控制無(wú)人機(jī)飛行;學(xué)會(huì)并養(yǎng)成正確的遙控器握控姿勢(shì)和良好的站姿;進(jìn)行無(wú)人機(jī)懸停模式的飛行練習(xí)，學(xué)會(huì)對(duì)尾、對(duì)側(cè)、對(duì)頭、8位懸停、米字型、回字型、O字型以及8字型等飛行操作。

2.1.3實(shí)際操控訓(xùn)練內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)化

在進(jìn)行無(wú)人機(jī)實(shí)際操控訓(xùn)練時(shí)，要求學(xué)生必須嚴(yán)格按照“起降-對(duì)尾懸停-對(duì)側(cè)懸停-對(duì)頭懸停-8位懸停-米字型-回字型-O字型-8字型”這九個(gè)訓(xùn)練步驟，逐步深化練習(xí)。在實(shí)際飛行練習(xí)方面，要求學(xué)生：掌握四旋翼無(wú)人機(jī)起飛前和降落后的機(jī)身、通信鏈路和飛控等部件檢查;完成四旋翼無(wú)人機(jī)的起降、對(duì)頭等基本飛行訓(xùn)練;進(jìn)階完成四旋翼無(wú)人機(jī)的米字型、回字型、O字型以及8字型綜合飛行訓(xùn)練。

選“無(wú)人機(jī)原理與構(gòu)造”課的學(xué)生較多，實(shí)踐訓(xùn)練時(shí)若操作不當(dāng)，存在危險(xiǎn)，不可能讓幾個(gè)學(xué)生同時(shí)進(jìn)行操控訓(xùn)練。針對(duì)無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)中存在學(xué)生人數(shù)過(guò)多、實(shí)驗(yàn)課分散等問(wèn)題，采取集中性實(shí)踐教學(xué)模式（如周末連續(xù)兩天或集中實(shí)訓(xùn)），并分批進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.2 “自動(dòng)飛行控制系統(tǒng)”課程教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

針對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備不足及教材不適用等問(wèn)題，自制了40套微型四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并編寫(xiě)配套例程和教材。自制平臺(tái)主要作用有：（1）解決對(duì)于飛控內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清晰和教學(xué)效果差等問(wèn)題。（2）解決采購(gòu)飛控開(kāi)源性差，理解困難問(wèn)題。（3）解決教學(xué)時(shí)效性問(wèn)題。采購(gòu)飛控成本高每塊市場(chǎng)價(jià)500元左右，封裝嚴(yán)實(shí)維修困難。（4）配套教材，完全結(jié)合自主飛控與例程，緊密結(jié)合，教學(xué)效果顯著提升。（5）提高學(xué)生利用率和開(kāi)放程度，自己帶走，哪都能學(xué)。（6）輔助STM32單片機(jī)教學(xué)，飛控板子結(jié)合STM32常用知識(shí)，綜合性以及實(shí)用性強(qiáng)大。此外，在自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、編寫(xiě)配套例程與教材的過(guò)程中，讓學(xué)生積極參與進(jìn)來(lái)，參與硬件和軟件調(diào)試以及相關(guān)教學(xué)資料整理。

對(duì)于軟件編程方面，將復(fù)雜的完整飛控程序分解成各個(gè)例程，由淺入深，循序漸進(jìn)，逐步引導(dǎo)。啟發(fā)學(xué)生思維，同時(shí)結(jié)合飛控平臺(tái)鼓勵(lì)學(xué)生將想法在該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生不只是成為理論的巨人，實(shí)踐的矮子，真正做到學(xué)以致用。軟件編程方面安排：如何編程、下載和調(diào)試;LED指示燈和USART實(shí)驗(yàn);如何使用IIC和SPI等通信協(xié)議去讀取九軸傳感器MPU9250等數(shù)據(jù)信息;基于旋轉(zhuǎn)矩陣/四元數(shù)方法的姿態(tài)解算實(shí)驗(yàn);通過(guò)地面站軟件完成無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角PID調(diào)參實(shí)驗(yàn)等。通過(guò)這一系列實(shí)驗(yàn)例程讓學(xué)生由淺入深，循序漸進(jìn)的掌握飛控程序代碼。

2.3 “無(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)”課程教學(xué)內(nèi)容調(diào)整

“無(wú)人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)”課程減少衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線電導(dǎo)航以及慣性導(dǎo)航等理論知識(shí)，增加無(wú)人機(jī)避障/定位技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。學(xué)生根據(jù)自身的愛(ài)好和特長(zhǎng)，選擇無(wú)人機(jī)開(kāi)或應(yīng)用為切入點(diǎn)。例如：喜歡操控?zé)o人機(jī)的學(xué)生，可以思考讓無(wú)人機(jī)搭配各種任務(wù)載荷（如航拍攝像機(jī)、機(jī)械爪和喊話裝置等模塊），在無(wú)人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)展研究;喜歡研究控制算法和程序編程的學(xué)生，可以思考如何實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)室內(nèi)懸停、自主避障和自動(dòng)跟蹤等控制（如多路超聲波避障、雙目視覺(jué)避障、光流定位和視覺(jué)目標(biāo)跟蹤等控制算法）;喜歡傳感器的學(xué)生，深入學(xué)習(xí)各種濾波算法和姿態(tài)解算方法，并可以思考為什么要進(jìn)行多傳感器數(shù)據(jù)融合等。

3 優(yōu)化考核方式和人才培養(yǎng)模式

建立課前預(yù)習(xí)機(jī)制，使學(xué)生能在課前預(yù)習(xí)指定教學(xué)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)課前預(yù)習(xí)與課堂教學(xué)的融合，解決課內(nèi)學(xué)時(shí)不足的問(wèn)題;加強(qiáng)課程的過(guò)程性考核，建立有效可執(zhí)行的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)與課后作業(yè)提問(wèn)驗(yàn)收機(jī)制，給予學(xué)生激勵(lì)或懲罰，以此減少編程代碼的抄襲現(xiàn)象;建立教學(xué)成效反饋機(jī)制，對(duì)學(xué)生定期開(kāi)展教學(xué)調(diào)研反饋活動(dòng)，適時(shí)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃和教學(xué)內(nèi)容，查漏補(bǔ)缺。針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及個(gè)人學(xué)習(xí)努力上的差異，需要突出無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)兩方面人才的培養(yǎng)。因此，課程期末考核模式采用綜合性課程設(shè)計(jì)形式，改變傳統(tǒng)的試卷考核模式，學(xué)生可以根據(jù)自身的愛(ài)好和特長(zhǎng)，選擇無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)或應(yīng)用方面為切入點(diǎn)，可以自行設(shè)計(jì)項(xiàng)目，組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，教師把關(guān)。學(xué)生自主完成自選課程，以實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收和PPT答辯等形式給出期末成績(jī)。

鼓勵(lì)學(xué)生積極參與科研項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀生應(yīng)用型能力的全面提升。推行導(dǎo)師制，使更多學(xué)生在教師指導(dǎo)下進(jìn)行課外科研與工程實(shí)踐，提高實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。建立多元化的科研項(xiàng)目平臺(tái)，通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)，全面提升應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量。學(xué)生成果生成，引導(dǎo)并指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，如論文及專利等。這也是激發(fā)學(xué)生積極性的重要環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的科研項(xiàng)目反哺教學(xué)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)無(wú)人機(jī)方向課程的理論和實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生逐步了解無(wú)人機(jī)行業(yè)領(lǐng)域，調(diào)動(dòng)學(xué)生的無(wú)人機(jī)學(xué)習(xí)興趣。通過(guò)學(xué)生動(dòng)手操控?zé)o人機(jī)、編寫(xiě)無(wú)人機(jī)程序代碼以及組隊(duì)完成綜合性課程設(shè)計(jì)等這一系列課程內(nèi)容，逐級(jí)提高學(xué)生自身技能和創(chuàng)新能力。本課程系列主要面向電子或電氣等相關(guān)專業(yè)的大二和大三學(xué)生。大二和大三學(xué)生已學(xué)過(guò)一定的專業(yè)基礎(chǔ)課程，并具備一定的編程能力。讓學(xué)生課外開(kāi)展無(wú)人機(jī)相關(guān)科研，以論文與專利成果轉(zhuǎn)化為引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，提高無(wú)人機(jī)教學(xué)質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)學(xué)生的科研項(xiàng)目反哺教學(xué)。

基金項(xiàng)目：本文系“浙江省高等教育‘十三五教學(xué)改革研究項(xiàng)目”（jg20190453）研究成果

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