基于四旋翼無人機(jī)賽題的嵌入式教學(xué)改革分析

李佳 趙雪坤 肖天浩 田子一

摘 要：全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競賽，自2013 年開始每年的電子設(shè)計(jì)競賽基本都會出現(xiàn)一道四旋翼無人機(jī)相關(guān)的賽題，題目考察的關(guān)鍵是學(xué)生對控制飛行器的姿態(tài)以及視覺圖像處理能力。無人機(jī)賽題是一個(gè)典型的復(fù)雜工程問題，涉及多方面的知識和難點(diǎn)，對電子類學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革尤其是嵌入式系統(tǒng)課程具有非常重要的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：四旋翼無人機(jī);嵌入式系統(tǒng);教學(xué)改革

0 引言

全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽（National Undergraduate Electronics Design Contest）是教育部和工業(yè)和信息化部共同發(fā)起的大學(xué)生學(xué)科競賽之一，目的在于推動(dòng)高等學(xué)校促進(jìn)信息與電子類學(xué)科課程體系和課程內(nèi)容的改革[1]。近年來，該比賽已經(jīng)成為全國規(guī)模最大、認(rèn)可度最高的電子設(shè)計(jì)競賽，也是電子類同學(xué)參賽熱情最高的科技競賽之一，2020年僅河北省就有來自河北工業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)、北華航天工業(yè)學(xué)院等45所院校的279支代表隊(duì)參加比賽。電子設(shè)計(jì)競賽的選拔、集訓(xùn)和比賽是一個(gè)非常漫長、復(fù)雜的過程，對于教師而言，指導(dǎo)學(xué)生參加比賽，在備賽的幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)和學(xué)生一起分析歷年題目，解決問題，可以促進(jìn)教師對教學(xué)進(jìn)行反思。

1 電子設(shè)計(jì)競賽四旋翼無人機(jī)題目簡介

在2020年TI杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中，四旋翼無人機(jī)比賽題目為“繞障飛行器”，飛行器活動(dòng)區(qū)域用黑色邊框標(biāo)記。地面上標(biāo)有起飛點(diǎn)與降落點(diǎn)，并且還放置了2個(gè)桿塔;起飛點(diǎn)用空心黑色矩形框標(biāo)識，降落點(diǎn)用實(shí)心黑色圓標(biāo)識，桿塔有紅、綠兩種顏色。要求如下：

飛行器從起飛地點(diǎn)垂直升高到 150 cm±10 cm的巡航高度。

巡航飛行中發(fā)現(xiàn)桿塔，以聲音提示，并用與所發(fā)現(xiàn)桿塔相同顏色的LED閃爍數(shù)次指示。

在巡航高度以桿塔為中心，繞所發(fā)現(xiàn)的桿塔抵近飛行一周（360°及以上）;繞飛時(shí)飛行器與桿塔最近點(diǎn)距離在 50 cm±10 cm;在紅色桿塔，飛行器沿順時(shí)針方向（頂視）繞飛，在綠色桿塔，飛行器沿逆時(shí)針方向（頂視）繞飛。

飛行區(qū)域中所有桿塔均被發(fā)現(xiàn)并識別、繞飛后，尋找降落點(diǎn)標(biāo)識，緩慢平穩(wěn)準(zhǔn)確地降落在降落區(qū)域內(nèi)。

整個(gè)飛行過程用時(shí)不得超過5分鐘。

2 四旋翼無人機(jī)題目關(guān)鍵技術(shù)分析

四旋翼無人機(jī)性能靈活，移動(dòng)迅速，在空中有6個(gè)自由度。題目的難點(diǎn)是無人機(jī)在靠近避障的過程中檢測障礙物以及規(guī)劃安全路徑，在要求的巡航高度下穩(wěn)定飛行，需要學(xué)生進(jìn)行飛控程序設(shè)計(jì)，進(jìn)行高度以及姿態(tài)解算，然后利用PID算法控制四旋翼無人機(jī)。

2.1? 整體設(shè)計(jì)方案

繞障飛行器選用四旋翼無人自主飛行器，利用TI公司的MSP432P401R單片機(jī)為主控芯片，主控模塊根據(jù)PID控制算法通過PWM方式驅(qū)動(dòng)飛行器四軸電機(jī)，完成指定飛行動(dòng)作。采用6軸傳感器MPU6050作為姿態(tài)傳感器，測量數(shù)據(jù)經(jīng)過卡爾曼濾波以及二階互補(bǔ)濾波融合處理，獲取實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)，并且通過算法控制飛行器平衡。繞障飛行器采用激光測距傳感器檢測飛行高度，對飛行高度閉環(huán)控制，使用OpenMV模塊進(jìn)行圖像識別與處理，識別桿塔的顏色，從而實(shí)現(xiàn)繞障飛行。

2.2? 飛行姿態(tài)控制技術(shù)

飛控是四旋翼無人機(jī)的核心，飛行、懸停，姿態(tài)變化等都是由多種傳感器將飛行器本身的姿態(tài)數(shù)據(jù)傳回飛控，再由飛控通過運(yùn)算和判斷下達(dá)指令，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作和飛行姿態(tài)調(diào)整[2]。考查學(xué)生自動(dòng)控制理論、數(shù)字信號處理、PID算法、卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識的掌握情況，并要求學(xué)生具備較強(qiáng)的C語言編程能力。同時(shí)還要掌握配合飛控的傳感器的用法，例如陀螺儀姿態(tài)模塊、激光測距模塊、氣壓計(jì)模塊、超聲波測距、光流模塊、OpenMV圖像識別模塊等，多傳感器的程序融合對學(xué)生編程也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2.3? 圖像識別技術(shù)應(yīng)用

四旋翼無人機(jī)基于視覺的自主導(dǎo)航是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)，全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽命題組敏銳地把握這個(gè)趨勢，并將其體現(xiàn)在競賽題目中。OpenMV攝像頭是一款小巧、低功耗、低成本的模塊，2017年開始在電子大賽中出現(xiàn)身影。學(xué)生可以通過高級語言Python腳本完全控制OpenMV，包括IO引腳，很容易在機(jī)器視覺算法中處理復(fù)雜的輸出。OpenMV的應(yīng)用范圍非常廣泛[3]，它的出現(xiàn)也讓四旋翼無人機(jī)比賽變得簡單，其自帶圖像處理庫具有顏色識別追蹤、圓形檢測等功能，學(xué)生只需要寫少量的代碼，調(diào)用一下API接口函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，簡化了圖像處理的難度，也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 電子設(shè)計(jì)競賽引發(fā)嵌入式課程教學(xué)反思

3.1? 構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+”教學(xué)體系

近幾年，隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展以及智能手機(jī)的普及，在線教育平臺越來越多地成為教學(xué)的一種手段。新冠疫情的爆發(fā)加速了課程在線教學(xué)的普及。對于嵌入式系統(tǒng)這門課而言，部分院校會把該課程放到大三下學(xué)期，由于課程綜合性比較強(qiáng)，而且教學(xué)課時(shí)非常有限，所以在課程教學(xué)過程中，課程內(nèi)容的選擇非常重要。除了進(jìn)行傳統(tǒng)的線下課堂教學(xué)外，還要充分利用好學(xué)習(xí)通、雨課堂、騰訊課堂等在線教育平臺，建立開放的嵌入式系統(tǒng)課程在線教學(xué)體系，靈活地融入網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源以及豐富的實(shí)踐案例，開拓學(xué)生視野。教師通過軟件的溝通功能，達(dá)到“一對一”的效果，加強(qiáng)師生互動(dòng)，提高學(xué)生求知欲，增加學(xué)習(xí)動(dòng)力。

3.2 競賽題目內(nèi)容納入教學(xué)實(shí)踐

嵌入式教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)對學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，提升動(dòng)手能力非常有幫助。目前，教學(xué)中缺乏一定完整功能的綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，因此可以參考?xì)v年電子競賽題目進(jìn)行設(shè)計(jì)，以培養(yǎng)學(xué)生具備初步工程實(shí)踐能力為目的，內(nèi)容上可以包含幾個(gè)章節(jié)的內(nèi)容，完成一個(gè)具體功能的小項(xiàng)目，由指導(dǎo)教師指定或讓學(xué)生自由選擇組隊(duì)，鍛煉其團(tuán)隊(duì)合作能力，共同完成項(xiàng)目。教師參與指導(dǎo)過程，根據(jù)每個(gè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程的完整性、實(shí)驗(yàn)指標(biāo)點(diǎn)完成情況以及對實(shí)驗(yàn)報(bào)告的規(guī)范性，進(jìn)行評分。

3.3? 轉(zhuǎn)變學(xué)生評價(jià)方法引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)

如果按傳統(tǒng)的教評體系，以考試成績作為衡量學(xué)生好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)，將大大打擊學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐興趣。應(yīng)該從基本知識、基本技能、創(chuàng)新實(shí)踐能力、實(shí)驗(yàn)報(bào)告各方面進(jìn)行綜合評價(jià)，縮小理論考試成績在最終成績中的比例，增加實(shí)踐成績的比重，充分提高學(xué)生參與實(shí)踐的積極性，重視學(xué)生完成綜合項(xiàng)目的參與討論過程、團(tuán)隊(duì)合作意識、書寫規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力培養(yǎng)[4]。學(xué)生評價(jià)體系的改革以提升應(yīng)用能力為目的、以競賽為動(dòng)力、分層次有步驟地推進(jìn)教學(xué)改革。

4 結(jié)語

嵌入式技術(shù)是電子信息工程一門重要的專業(yè)課程，電子設(shè)計(jì)競賽的開展，其題目新穎，緊跟工業(yè)領(lǐng)域熱點(diǎn)技術(shù)，可以提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。四旋翼無人機(jī)賽題本身就是典型的嵌入式應(yīng)用案例，集合了電子類學(xué)生的多門專業(yè)課。教師通過指導(dǎo)學(xué)生參加競賽為契機(jī)，進(jìn)行教學(xué)反思與改革，深入貫徹科教融合理念。學(xué)校引導(dǎo)教師實(shí)現(xiàn)教研統(tǒng)一，培養(yǎng)具有良好素質(zhì)和社會責(zé)任感、持續(xù)的學(xué)習(xí)與發(fā)展能力、較強(qiáng)的專業(yè)能力與創(chuàng)新能力的電子信息領(lǐng)域高水平應(yīng)用型人才[5]。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李鵬.淺談全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組織與管理工作[J].才智，2016（11）：223.

[2]張皓焱，劉新.基于視覺處理的四旋翼無人機(jī)自主導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2020（9）：35-40.

[3]田渠，羅淦，尹海濤.基于OpenMV的智能跟蹤小車設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2019（8）：167-170，176.

[4]王冠軍，江海峰，林果園，等.“電子信息+”背景下嵌入式系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施策略研究[J].軟件導(dǎo)刊·教育技術(shù)，2019（12）：34-36.

[5]張凱龍，吳曉，苗克堅(jiān).面向新工科的嵌入式系統(tǒng)知識體系創(chuàng)新研究.無線互聯(lián)科技，2019（9）：110-114.

（編輯 王永超）