鄔玲偉 雷必成 林志明 梅盼

摘 要 無人機(jī)由于成本低、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單和機(jī)動性高等特性，近年來發(fā)展迅速。無人機(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)操控四旋翼無人機(jī)、編寫無人機(jī)程序代碼以及組隊完成綜合性課程設(shè)計等這一系列課程內(nèi)容，提高無人機(jī)課堂教學(xué)質(zhì)量。

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

中圖分類號：G642 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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

隨著我國通用航空體制的不斷改革與完善，無人機(jī)行業(yè)將迎來前所未有的發(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人機(jī)1000架以上的能力，培育10個航空特色小鎮(zhèn)。無人機(jī)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展急需無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計、應(yīng)用、管理方面的綜合性人才。當(dāng)前無人機(jī)操控和開發(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)無人機(jī)教學(xué)課程改革和實(shí)踐工作，對于培養(yǎng)大量優(yōu)秀的無人機(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“無人駕駛航空器系統(tǒng)工程”本科專業(yè)，目前僅有北航和臺州學(xué)院等23所院校將無人機(jī)納入本科教育。因此，無人機(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化專業(yè)開設(shè)無人機(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。然而，無人機(jī)作為一個新興領(lǐng)域，傳統(tǒng)的課程體系和教學(xué)方法已不能很好支持無人機(jī)方向課程的有效教學(xué)，且存在如下幾個問題：

1.1課題體系與課時量不足

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

1.2教材不適用

教材是無人機(jī)課程的核心，是保證課堂教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。國內(nèi)現(xiàn)有的教材編寫也剛剛起步，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)效果不佳等問題。此外，僅有的無人機(jī)相關(guān)教材也不是很適合于本校無人機(jī)課程的教學(xué)。

1.3實(shí)驗平臺不適用

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

1.4課內(nèi)實(shí)驗與課后作業(yè)的有效性不好

從無人機(jī)方向課程的教學(xué)情況來看，部分學(xué)生對課內(nèi)實(shí)驗與課后作業(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)驗與課后作業(yè)大多為在計算機(jī)上運(yùn)行的編程題，抄襲難度低（可直接在計算機(jī)上進(jìn)行復(fù)制粘貼），班級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

無人機(jī)方向課程旨在通過一系列的理論和實(shí)踐內(nèi)容，不僅讓學(xué)生掌握無人機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和飛行控制技術(shù)等知識，而且能夠激發(fā)學(xué)生對無人機(jī)的學(xué)習(xí)興趣。在注重?zé)o人機(jī)基本知識和基本方法等內(nèi)容由淺入深和循序漸進(jìn)授課的同時，更加突出無人機(jī)應(yīng)用。

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

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

2.1.1課程實(shí)驗安排從基礎(chǔ)入手，分段培養(yǎng)

在無人機(jī)組裝和調(diào)試方面，要求學(xué)生：能夠根據(jù)無人機(jī)硬件平臺使用說明書進(jìn)行拆裝調(diào)試無人機(jī);在不安裝槳葉的情況下完成機(jī)架選型，加速度計、羅盤、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)會無人機(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

在無人機(jī)模擬器練習(xí)方面，要求學(xué)生：熟悉樂迪AT9遙控器，知道什么是美國手，什么是遙控器通道，并學(xué)會通過遙控器控制無人機(jī)飛行;學(xué)會并養(yǎng)成正確的遙控器握控姿勢和良好的站姿;進(jìn)行無人機(jī)懸停模式的飛行練習(xí)，學(xué)會對尾、對側(cè)、對頭、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)行無人機(jī)實(shí)際操控訓(xùn)練時，要求學(xué)生必須嚴(yán)格按照“起降-對尾懸停-對側(cè)懸停-對頭懸停-8位懸停-米字型-回字型-O字型-8字型”這九個訓(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;完成四旋翼無人機(jī)的起降、對頭等基本飛行訓(xùn)練;進(jìn)階完成四旋翼無人機(jī)的米字型、回字型、O字型以及8字型綜合飛行訓(xùn)練。

選“無人機(jī)原理與構(gòu)造”課的學(xué)生較多，實(shí)踐訓(xùn)練時若操作不當(dāng)，存在危險，不可能讓幾個學(xué)生同時進(jìn)行操控訓(xùn)練。針對無人機(jī)實(shí)驗中存在學(xué)生人數(shù)過多、實(shí)驗課分散等問題，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)驗教學(xué)。

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

針對實(shí)驗設(shè)備不足及教材不適用等問題，自制了40套微型四旋翼無人機(jī)實(shí)驗平臺，并編寫配套例程和教材。自制平臺主要作用有：（1）解決對于飛控內(nèi)部結(jié)構(gòu)不清晰和教學(xué)效果差等問題。（2）解決采購飛控開源性差，理解困難問題。（3）解決教學(xué)時效性問題。采購飛控成本高每塊市場價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，綜合性以及實(shí)用性強(qiáng)大。此外，在自制實(shí)驗平臺、編寫配套例程與教材的過程中，讓學(xué)生積極參與進(jìn)來，參與硬件和軟件調(diào)試以及相關(guān)教學(xué)資料整理。

對于軟件編程方面，將復(fù)雜的完整飛控程序分解成各個例程，由淺入深，循序漸進(jìn)，逐步引導(dǎo)。啟發(fā)學(xué)生思維，同時結(jié)合飛控平臺鼓勵學(xué)生將想法在該平臺實(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;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;通過地面站軟件完成無人機(jī)的姿態(tài)角PID調(diào)參實(shí)驗等。通過這一系列實(shí)驗例程讓學(xué)生由淺入深，循序漸進(jìn)的掌握飛控程序代碼。

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

“無人機(jī)導(dǎo)航技術(shù)”課程減少衛(wèi)星導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航以及慣性導(dǎo)航等理論知識，增加無人機(jī)避障/定位技術(shù)的理論和實(shí)驗內(nèi)容。學(xué)生根據(jù)自身的愛好和特長，選擇無人機(jī)開或應(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），在無人機(jī)的行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域開展研究;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)無人機(jī)室內(nèi)懸停、自主避障和自動跟蹤等控制（如多路超聲波避障、雙目視覺避障、光流定位和視覺目標(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)時不足的問題;加強(qiáng)課程的過程性考核，建立有效可執(zhí)行的課內(nèi)實(shí)驗與課后作業(yè)提問驗收機(jī)制，給予學(xué)生激勵或懲罰，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，對學(xué)生定期開展教學(xué)調(diào)研反饋活動，適時調(diào)整教學(xué)計劃和教學(xué)內(nèi)容，查漏補(bǔ)缺。針對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及個人學(xué)習(xí)努力上的差異，需要突出無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)和系統(tǒng)開發(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)自身的愛好和特長，選擇無人機(jī)開發(fā)或應(yīng)用方面為切入點(diǎn)，可以自行設(shè)計項目，組成團(tuán)隊進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，教師把關(guān)。學(xué)生自主完成自選課程，以實(shí)物現(xiàn)場驗收和PPT答辯等形式給出期末成績。

鼓勵學(xué)生積極參與科研項目，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)踐動手能力和創(chuàng)新能力。建立多元化的科研項目平臺，通過項目驅(qū)動式教學(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)生的科研項目反哺教學(xué)。

4 結(jié)束語

通過無人機(jī)方向課程的理論和實(shí)踐教學(xué)，讓學(xué)生逐步了解無人機(jī)行業(yè)領(lǐng)域，調(diào)動學(xué)生的無人機(jī)學(xué)習(xí)興趣。通過學(xué)生動手操控?zé)o人機(jī)、編寫無人機(jī)程序代碼以及組隊完成綜合性課程設(shè)計等這一系列課程內(nèi)容，逐級提高學(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)生課外開展無人機(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，提高無人機(jī)教學(xué)質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)學(xué)生的科研項目反哺教學(xué)。

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

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