宋浩然，何召蘭，尚雷，陳銳，段立勇

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基于大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目的自主創(chuàng)新學習模式研究

宋浩然，何召蘭，尚雷，陳銳，段立勇

（哈爾濱理工大學 測控技術與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080）

以大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目為載體，基于項目驅動教學法探索大學生自主創(chuàng)新學習模式的建立．通過申請感興趣的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目，促進學生自主學習習慣的養(yǎng)成．在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目驅動下，學生自主選擇設計方案和所需器件，完成了四旋翼飛行器的組裝、控制和飛行．實踐表明，以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目為驅動可以有效促進學生自主學習習慣的養(yǎng)成，激發(fā)學生自主學習的積極性，并提高學生的學習能力．

自主學習；四軸飛行器；創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

高校是培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要基地，高等教育的基本目標之一是對大學生進行創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)技能的培養(yǎng)[1]．推進自主學習和探究式學習方式，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力具有重要意義[2-3]．自主學習模式需要在尊重教育主體的基礎上建立良好的外部環(huán)境及監(jiān)督體制，才能使高校學生逐步培養(yǎng)自主學習能力[4]．基于自主式項目驅動的教學改革近年來也取得了許多成果[5-6]．近年來高校實施大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，旨在促進高等學校轉變教育思想觀念，改革人才培養(yǎng)模式，強化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓練，增強高校學生的創(chuàng)新能力和在創(chuàng)新基礎上的創(chuàng)業(yè)能力，培養(yǎng)適應創(chuàng)新型國家建設需要的高水平創(chuàng)新人才．本項目組在教師指導下申請到一項省級大學生創(chuàng)新訓練項目——基于STM32的應急先鋒四軸飛行器設計，既強化學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的訓練，同時又有助于理工類大學生自主創(chuàng)新學習模式的構建及保障機制的研究，促進教師教育思想觀念的轉變進而促進本科生教學質量的提高．

1 自主創(chuàng)新學習模式的建立

為了能夠很好地實施創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，建立良好的保障機制，鼓勵學生自主學習，學校從培養(yǎng)方案的制定，課程大綱的編寫以及教學方法的改革等方面開展工作，把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目融入本科生自主創(chuàng)新學習能力培養(yǎng)體系．為了使學生在課程學習過程中既能掌握理論知識，又能具備較強的實踐技能，除了在課程大綱的編寫，各教學環(huán)節(jié)的銜接，教學內容和教學方法的改進等方面進行探索改革之外，還積極組織學生參與開放實驗、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目以及各種電子信息類競賽．將實驗室對學生開放，為學生提供良好的學習環(huán)境，引導為主指導為輔，逐步培養(yǎng)學生的自主學習習慣和創(chuàng)新能力．因此，電子實驗室成為本項目組成員基于該創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目進行自主學習的良好場所．

近年來，得益于微機電控制技術的發(fā)展，穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛關注[7-8]，應用前景十分可觀．相比于傳統單旋翼飛行器，四軸飛行器可以自由地實現懸停和空間中的自由移動，具有很大的靈活性．因為四軸飛行器體積小、重量輕，攜帶方便，能輕易進入人不易進入的各種惡劣環(huán)境，常用來執(zhí)行航拍電影取景、實時監(jiān)控、地形勘探等飛行任務，新的應用也在不斷的拓展之中．另外，四軸飛行器的技術研究涉及眾多領域，如自動控制、空氣動力學、傳感技術和電子技術等，是大學生對學科專業(yè)綜合應用的一個很好平臺．來到電子實驗室的學生也在傳承著對四軸飛行器的研究和開發(fā)，對四軸飛行器的控制越來越穩(wěn)定，也在不斷地增進其功能．學生圍繞四軸飛行器申請項目，參加電子設計大賽，形成了良好的自主學習氛圍．

2 創(chuàng)新訓練項目的實施

2.1 項目成員的選拔

省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目從立項至結題為期2年時間，因此需要在大一或大二學生中選拔．學生是否有參與創(chuàng)新訓練項目的積極性，是否有能力完成，是否有合作精神等因素決定了項目的立項、實施及完成的質量．考慮到學生的基礎，將選拔對象重點放在大二學生中，適量的大一學生．近年來，教研組的大多教師一直致力于本科生創(chuàng)新實踐教學的研究，每年都指導本科生參加電子設計大賽、智能車競賽等賽事，指導學生開放實驗或創(chuàng)新實驗，取得了很好的成績．實驗室常年對學生開放，有不同年級的學生參與其中，已經形成良好的學習氛圍，建立了良好的傳幫帶體系．

為了吸引更多的學生進入實驗室參與創(chuàng)新項目、電子設計大賽等，讓學生事先對創(chuàng)新訓練項目等有個初步的了解和認識．主要通過2個途徑實施，一是教師利用課余時間對任課班級的學生進行宣傳講解，鼓勵有興趣的學生積極參與；二是實驗室的學生向學弟學妹們講解宣傳．初來實驗室的學生基礎有差異、目的不同，實驗室資源有限，因此要對前來報名的學生進行初步考核，關鍵是考察學生是否能持之以恒積極參與創(chuàng)新實驗、電子設計大賽等賽事．對初步進入實驗室的學生繼續(xù)考察1個學期，那些沒有絲毫進步，很少在實驗室學習或經常在實驗室上網玩游戲的學生將被淘汰，將有限的實驗室資源留給更樂于動手創(chuàng)新的學生使用．經過1個學期的培訓和鍛煉，學生根據興趣自由組合分組，指導教師為學生制定計劃，申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練等項目，并參加電子設計大賽或智能車大賽等．

2.2 項目實施方案

制定基于STM32的應急先鋒飛行器設計項目的實施方案．多功能四軸飛行器系統主要由飛行控制子系統和應急環(huán)境采集子系統組成．飛行控制部分采用四元數算法對MEMS傳感器數據進行姿態(tài)解算，采用PID算法設計相應的控制律，實現飛行器穩(wěn)定的飛行姿態(tài)控制．應急環(huán)境采集子系統即采集災難環(huán)境中的一系列信息，然后以無線的方式傳輸到視覺計算機，由機載攝像頭及相關傳感器組成．整體設計框圖見圖1．

2.2.1 系統硬件設計 飛行控制器是系統的核心部分，所設計的控制器要能夠通過采集處理MEMS傳感器數據解算姿態(tài)，并根據導航指令和任務要求，結合相應的控制律給出適當的控制信號，控制飛行器的執(zhí)行機構，改變飛行器的姿態(tài)和位置等．控制器主控芯片采用ST公司生產的基于ARM Cortex-M3內核的STM32處理器，它具有低功耗、高性能及接口豐富等優(yōu)點，同時有很強的數據處理能力，這使得在飛控系統中實現復雜濾波算法成為可能．主控芯片主要負責采集傳感器檢測到的三軸角速率、三軸加速度和三軸磁力，通過四元數算法解算姿態(tài)角，按所設計的控制規(guī)律計算輸出到各電機的PWM波型，驅動四軸飛行器協調工作，保證四軸飛行器穩(wěn)定的飛行姿態(tài)．

圖1 系統結構框圖

微慣性測量單元采用全球首例整合性六軸運動處理組件MPU60-50，它整合了三軸加速度和三軸陀螺儀，通過串行總線IIC進行數據訪問和傳感器初始化配置控制，傳感器檢測數據經過四元數算法可得姿態(tài)角．此外，還可通過慣性導航算法得到飛行器的慣導位置，將慣導位置與視覺位置融合可估算最優(yōu)位置，從而提高導航的精度．導航信息通過UART和主控芯片通信，保證系統的實時性，用霍尼韋爾公司的三軸數字式羅盤HMC5883L為飛行器提供準確的航向信息．

圖像采集模塊采用COMS208無線攝像頭，改變攝像頭芯片內自帶的壓縮算法，使所得圖片數據量變小，便于數據的無線傳輸．數據傳輸采用FM調制，之后接收端經過解調后將圖片解壓，得到的圖像由視頻采集卡傳輸到上位機上．搭載攝像頭部分為舵機控制的二自由度云臺，可通過無線遙控來改變拍攝角度從而獲取全方位的視頻信息．

氣體采集選用了MQ135、MQ-7和MQ-4氣體傳感器．MQ135氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫．當傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大．使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號．MQ135傳感器對氨氣、硫化物和苯系蒸汽的靈敏度高，對煙霧和其它有害的監(jiān)測也很理想．主要芯片為LM393和ZYMQ-135．工作電壓為直流5 V，具有模擬量輸出及TTL電平輸出，具有快速的響應恢復、長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性氣體敏感元件．MQ-7氣體傳感器對一氧化碳的靈敏度高，這種傳感器可檢測多種含一氧化碳的氣體，主要芯片為LM393和ZYMQ-7氣體傳感器，工作電壓為直流5 V．具有雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）．MQ-4氣體傳感器對甲烷的靈敏度高，對丙烷、丁烷也有較好的靈敏度．這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，特別是天然氣，主要芯片為LM393和ZYMQ-4氣體傳感器，工作電壓為直流5 V．具有雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）．

溫濕度采集選用了DHT10溫度濕度二合一傳感器，DHTXX系列單芯片傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器．它應用專利的工業(yè)COMS過程微加工技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性．傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14 位的A/D 轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現無縫連接．因此，選用該產品可確保系統對溫濕度響應速度快、抗干擾能力強等優(yōu)點．

報警功能所需的熱釋電傳感器感應模塊通電后有1 min左右的初始化時間，在此期間模塊會間隔地輸出0~3次，1 min后進入待機狀態(tài)．感應模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（A元B元）位于較長方向的兩端．當人體從左到右或從右到左走過時，紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應越靈敏；當人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，感應不靈敏或不工作．因此，安裝感應器時應使探頭雙元的方向與人體活動最多的方向盡量相平行，保證人體經過時先后被探頭雙元所感應．為了增加感應角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應，但左右兩側仍然比上下方向感應范圍大、靈敏度強．

2.2.2 系統軟件設計 飛行控制算法是四軸飛行器控制中的關鍵技術．目前研究多集中在非線性控制領域，由于非線性控制對模型準確性有較強的依賴，在模型誤差存在的條件下，PID控制更加實用．因此，為了得到四軸飛行器的PID控制器，需要建立飛行器的數學模型，從而用算法程序進行相應的姿態(tài)解算．為了采集飛行器3個方向的角速率，本項目采用三軸陀螺儀，從而控制器可通過對陀螺儀輸出的角加速度進行積分計算獲得飛行時需要偏離的角度．由于陀螺儀的使用會出現溫度漂移現象，在做完一次相反方向的旋轉后，陀螺儀的積分并不為零，存在偏差，如果不加以校正便會出現問題．因此，必須用加速計測得數據，然后對所獲得的數據加以修正補償．在此基礎上，融入卡爾曼濾波的方法．通過陀螺儀、加速度計采集數據經濾波算法除噪擬合后，計算出飛行姿態(tài)角即歐拉角（見圖1）．最后通過軟件仿真和實物調試確定PID控制器的各個參數完成四軸飛行器部分的設計．

3 結語

具體項目的驅動，對于有主動學習愿望的學生是一種動力，對于較被動的學生是一種壓力．為了完成項目規(guī)定的任務和目標都會積極努力地學習和探究，成員自主分工合作，充分發(fā)揮個人優(yōu)勢．擅長硬件電路的成員重點學習單片機知識、傳感器知識以及電源等，偏愛軟件編程的重點學習控制算法和C語言．通過一段時間的學習自主選擇確定項目實施方案，選購各模塊所需器件進行安裝調試．通過該項目的實施，項目組成員學會了團結合作，鞏固了理論基礎知識，提高了實踐技能．承擔并完成一個項目不再是遙不可及，為學生后續(xù)課程的學習及將來走上工作崗位打下良好的基礎．項目驅動是學生自主學習的良好平臺，為學生提供良好的學習環(huán)境和學習氛圍．

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The study of undergraduate independent innovation learning model based oninnovation entrepreneurship training program

SONG Hao-ran，HE Zhao-lan，SHANG Lei，CHEN Rui，DUAN Li-yong

（School of Measurement and Communication Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Based on the college students' innovative entrepreneurial training program，the establishment of the college students' independent innovation learning mode was studied．Students are encouraged to apply for a innovative entrepreneurial training program which can motivate their learning initiative．Under the drive of innovative entrepreneurial training program，students chose designing scheme，selected the required device，confirmed the control strategy all by themselves．The practice shows that with the creative entrepreneurial projects as the carrier，the autonomous learning habits and learning ability of students can be effectively promoted．

independent；innovation learning；four axis aircraft；innovative undertaking

1007-9831（2016）10-0074-04

TP21∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.10.022

2016-07-25

黑龍江省教育科學規(guī)劃辦重點課題（GBB1212033）；黑龍江省大學生創(chuàng)新訓練項目（201510214038）

宋浩然（1995-），男，黑龍江北安人，本科生．E-mail：wbabc_007@163.com

何召蘭（1969-），女，黑龍江穆棱人，教授，博士，從事電子技術基礎、控制理論與應用研究．E-mail：hezhaolan@sina.com