基于無人機的“自動控制原理”教學探索

雷旭升

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院， 北京 100191)

“自動控制原理(2)”課程面向具體的應用對象，講解非線性系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和狀態(tài)空間分析的基本原理，掌握處理復雜工程問題的方法，對提高學生的科學素質、培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力以及學習后續(xù)課程具有重要奠基作用，是學生形成科學世界觀和方法論的重要催化劑[1-4]。

1 課程教學難點與現(xiàn)狀

作為本科生核心專業(yè)基礎課，“自動控制原理(2)”具有公式多、概念抽象、理論性強等特點，且涉及大量的數(shù)學概念，對學生的數(shù)學基礎要求高[5-8]。同時，該課程針對具體概念的理解和應用開展教學，通過剖析隱藏在工程系統(tǒng)里面的控制原理，使學生能夠從定量和定性角度出發(fā)來分析系統(tǒng)的特性，對學生的抽象思維能力要求也高[9-10]。

在教學過程中，通過課堂問答、課后交流和閉卷考試發(fā)現(xiàn)學生們只是對核心公式進行了死記硬背，對概念的理解浮于表面，沒有挖掘到內在的本質。雖然考試成績漂亮，但是在本科畢設階段對具體的工程問題還是束手無策，不能綜合利用所學內容進行方案設計，達到性能提升目的。這反映出存在以下主要問題：

1.1 “學和用”兩張皮現(xiàn)象

作為本科生核心專業(yè)基礎課，“自動控制原理(2)”在本科生第三年第二學期開始授課，學生本身不具體太多的工程經驗，缺乏實際動手能力，很難將課堂知識與實際工程項目連接在一起。因而，學生在學習中缺乏對被控對象的物理含義和工程概念的理解，進而容易出現(xiàn)“學和用”兩張皮現(xiàn)象，缺乏解決實際問題的能力。

1.2 授課模式單一

傳統(tǒng)的教學模式以課堂理論授課為主，課后習題作業(yè)為輔。由于大部分“自動控制原理(2)”涉及的概念抽象、邏輯性強，因此學生容易產生畏難、厭學情緒，上課容易走神，進而導致實際學習效果不佳。

1.3 課堂知識點驗證環(huán)節(jié)薄弱

因為“自動控制原理(2)”課程內容多，課后習題僅是通過相對簡單的運算題目強化課堂知識點，學生很難理解課堂知識點在實際系統(tǒng)中的應用效果，進而有空中樓閣的感覺。

2 基于無人機案例的啟發(fā)式教學

根據(jù)儀器儀表專業(yè)人才培養(yǎng)目標的要求，結合“自動控制原理(2)”課程本身的特點，以“理論授課”為核心，“仿真驗證”和“實驗驗證”為兩翼，將“數(shù)字仿真”和“飛行測試”融入到“自動控制原理(2)”課程教學過程中，開展“理論-仿真-測試”的全閉環(huán)實踐教學模式改進，全方位提升學生處理問題、解決問題的能力。

2.1 基于旋翼無人機的實踐教學方案設計

依據(jù)“教學與科研雙環(huán)促進”的理念，在教學中將理論授課和科研項目結合，將旋翼無人機這類具有典型航空特色產品引入到“自動控制原理(2)”課程教學中。推出基于旋翼無人機設計實踐教學平臺，讓學生將抽象的理論與具體的實際工程對象緊密聯(lián)系，提升教學質量。

旋翼無人機作為課程教學輔助教具，不能單純地將科研項目成果直接轉化為教學平臺，具體型號的設計和選擇需要綜合考慮成本和課程匹配度。傳統(tǒng)的科研直升機雖然功能強大，但是綜合成本以及過于復雜的機械和電路系統(tǒng)不利于本科生進行知識點的轉化和應用。

為設計適應于“自動控制原理(2)”本科教學的無人機系統(tǒng)，教學無人機的選型從科研用高精度無人直升機開始，歷經農業(yè)植保無人機和大疆無人機的設計嘗試，最終演化為全自主設計的四旋翼無人機。成本從30萬逐步遞減到1萬(圖1)。

(a)無人直升機 (b)植保機 (c)大疆M600 (d)4旋翼圖1 教學無人機設計思路

自研的四旋翼無人機長寬高分別為250 mm*250 mm*300 mm，將集成陀螺、加速度計、GPS、光留傳感器等多傳感器與一體，具有包含自主起降在內的全包絡曲線高精度控制功能，同時代碼開源，參數(shù)可實時調整，便于學生參與整體測試過程，感受課堂知識點在實際系統(tǒng)的應用。

2.2 基于旋翼無人機的首尾閉環(huán)教學模式改進

針對課堂章節(jié)知識點設計章節(jié)實驗方案，通過課前以失敗案例抓眼球、課中實例強概念、課尾以成功案例提性能的首尾閉環(huán)教學模式提升學生的專注度。基于理論仿真和實際驗證等手段，安排學生將課堂知識點應用到旋翼無人機的飛行測試中，通過旋翼無人機性能的提升展示課堂知識點的應用和價值，提升學生的參與度和對知識點掌握度。課堂章節(jié)實例內容與旋翼無人機的對應關系如下表1所示。

表1 章節(jié)實例對應關系

在非線性系統(tǒng)章節(jié)，以旋翼無人機中的電機控制為例，通過輸入電壓與旋翼轉速的非線性映射關系，讓學生實際掌握飽和等非線性典型單元的入和出關系，并進一步通過電機轉速姿態(tài)角度關系嘗試讓學生運用所學的相平面和描述函數(shù)法分析系統(tǒng)快穩(wěn)準特性。

在采樣系統(tǒng)章節(jié)，以旋翼無人機采集與控制芯片STM32F407為例子，通過姿態(tài)模擬量采樣之后的數(shù)字量，基于反饋控制的閉環(huán)輸出，數(shù)字量到模擬量的整體過程建立脈沖閉環(huán)傳遞函數(shù)的理論體系；并通過實際飛行過程中的不穩(wěn)定震蕩為例子，使學生體會到采樣周期對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，加強對采樣系統(tǒng)整體設計過程的知識點的掌握。

在狀態(tài)空間分析章節(jié)，以旋翼無人機的4入6出關系，引導學生選擇合理的狀態(tài)變量，建立狀態(tài)方程和輸出方程，掌握如何將傳統(tǒng)的“黑箱”設計變成“白箱”設計。以實際采集數(shù)據(jù)為基準量，對比基于狀態(tài)方程求解獲得仿真解，促進學生將狀態(tài)方程公式熟練掌握。并以壓線精度提升為目標，促進學生理解穩(wěn)定性、可控性和可觀性，進而通過分離定理和反饋控制來設計反饋控制器提高系統(tǒng)的控制精度，達到對課堂知識點的掌握程度。

2.3 基于旋翼無人機工程實例的課堂交互

以旋翼無人機完成定距離飛行作業(yè)任務為研究對象設計課后大作業(yè)，5-8名學生組隊按照建模、分析、優(yōu)化的思路分組進行綜合設計和展示，通過課堂討論，選擇優(yōu)勝組中的2到3名同學作為代表，在周末的時候到天津寶坻和廊坊香河參與實際飛行測試，將設計的控制算法分別在農業(yè)植保無人機和大疆無人機上進行飛性能驗證，真實感受課堂知識在實際系統(tǒng)的應用，不僅提高學生的設計能力，也進一步增強學生的實際動手能力和團隊協(xié)作能力。

圖2 選課學生參與的大作業(yè)測試

3 強化綜合能力的考卷改革與實踐

“自動控制原理(2)”涉及的三章內容知識面廣，對學生從事科研工作奠定了堅實的基礎。為培養(yǎng)學生能夠實際掌握課堂知識點，并能在實際的工程應用中可以基于知識點解決離散非線性問題。在考卷考核這一環(huán)節(jié)進行改革，在傳統(tǒng)知識點的考核基礎上，設計20分思考題，在考核狀態(tài)空間環(huán)節(jié)，通過分析不符合實際工作需求的觀測器設計，考察學生對分離定理、香農定理等知識點的綜合能力，并讓學生綜合考慮開環(huán)、閉環(huán)條件下的時域和頻域性能指標來設計反饋控制器和觀測器，實現(xiàn)高性能的指標需求，考核學生解決具體問題的綜合測試能力。

在評分體系上進行改革，嘗試加大日常表現(xiàn)分在總體評分體系中的作用。最終總分由期末考試分、日常表現(xiàn)分和實驗測試分三部分構成。其中期末考試分占總分的60%，課堂交互分占總分的20%，實驗測試分占總分的20%。

4 結語

針對“自動控制原理(2)”課程教學存在的問題，以學生為本，通過基于無人機案例的啟發(fā)式教學，培養(yǎng)航空領域的高端人才。

根據(jù)課程內容需求，設計適用于學生驗證課堂知識點的四旋翼無人機，通過基于無人機實例的“首尾閉環(huán)”啟發(fā)式教學，將抽象理論與具體的工程對象緊密結合，提高學生對課程知識點的掌握程度。并在期末考試和評分體系上進一步優(yōu)化，以實際應用為牽引，強調對知識點的實際掌握，激發(fā)學生的學習熱情。

七年的教學實踐結果表明，基于無人機案例的啟發(fā)式教學改革收效良好，學生對過去非線性章節(jié)、采樣系統(tǒng)和狀態(tài)空間的知識點的掌握程度明顯提高，能夠綜合運用所學知識在本科畢設和研究生的科研工作提升系統(tǒng)性能。