基于無人機編程項目的物聯網專業實踐系統配置方案研究

李德勝

摘要：文章在對國內外大學該課程的建設方案進行調研與結合安徽科技學院應用型本科專業建設的人才培養目標的基礎上，結合物聯網工程專業的專業課“無人機控制與影像”的專業實踐教學模式、內容以及方法進行深入的研究與探討，開發出適合安徽科技學院實際的基于無人機編程項目的物聯網專業實踐系統配置方案。該項目實施的目的是使學生能夠掌握飛行器的組裝、飛行控制、圖像拍攝回傳和后期處理的相關知識和技能，以期提升學生物聯網工程綜合實踐技能的人才培養目標，并為相關專業人才培養改革提供參考。

關鍵詞：無人機；編程項目；物聯網；系統配置

1.意義與背景

目前，國內外大量院校都己開設物聯網專業，實踐課程往往都包括如下課程：c程序設計技能訓練、電工與電路技能實訓、計算機輔助電路設計實訓、面向對象程序設計訓練、數據結構課程設計、無線傳感器網絡課程設計、數據庫原理課程設計、RFID原理與應用課程設計、ARM嵌入式系統課程設計移動互聯網開發綜合實訓、物聯網應用開發綜合實訓。

然而，根據對實際教學中和相關院校開設課程的調研，總結出如下幾個存在的問題。

（1）缺乏真正體現物聯網工程專業特色的綜合性項目。物聯網工程專業包括很多基本的知識和技能元素，例如無線傳感器網絡、RFID、嵌入式系統課程、程序設計等。但是傳統的實踐課程都是單列的，沒有考慮到物聯網的綜合應用性的本質。

（2）傳統的編程實踐內容無法調動學生的興趣和積極性。研究表明，目前學生對大部分所學的傳統知識并不十分感興趣，而對互聯網的多媒體和感知技術情有獨鐘。

本文結合物聯網工程專業的專業課“無人機控制與影像”的專業實踐教學，開發出適合學校實際的基于無人機編程項目的物聯網專業實踐系統配置方案。

2.無人機編程項目實踐配置方案

基于無人機編程項目的物聯網專業實踐教學研究的主要內容包括：無人機飛行控制、圖像拍攝回傳和后期處理系統的二次開發，主要包括四軸飛行器、飛行控制子系統、遙控器子系統、地面站子系統、圖像回傳子系統、全景圖像拼接系統等。在前期的教學工作中，已經進行了無人機軟件編程項目教學的初步研究，并形成了獨具特色的實踐配置方案。

2.1四軸飛行器

四軸飛行器作為時下最熱門的一種飛行器，已經越來越受到廣大科學愛好者和商業公司的關注，四軸飛行器未來的應用前景十分廣闊。四軸飛行器的智能導航可以利用機器視覺技術、人工智能技術讓四軸飛行器能像人一樣在復雜環境中活動。

2.2飛行控制模塊

飛控子系統，擁有控制姿態自動平穩、定點高度懸停、空中平移、空中定點旋轉、控制攝像機云臺控制、一鍵自動降落、GPS導航等功能，可以機載高清運動攝像機，實時拍攝飛行中的圖像。在教學中，采用Pixhawkm是一種先進的自動駕駛儀，它具有來自ST公司先進的處理器和傳感器技術，ArduPilot開源飛控代碼，以及NuttX實時操作系統，能夠實現靈活性和可靠性控制。由于Pixhawk的所有硬件都是透明的，因此方便學生學習芯片、傳感器、總線、外設等物聯網硬件內容，并且由于飛控源代碼開源，也方便學生進行二次開發。

2.3遙控器

在教學中，使用2.4 G富斯FS-TH9X9 9通道遙控器，可刷ER9X等開源固件。學生可以通過電腦軟件進行所有的設置，不用再看遙控器的菜單了，上位機的圖形化設置界面上極方便地完成所有的設置。所有搖桿和開關任意分配通道，還有模擬開關等強大的功能。

2.4開源地面站

在教學中，利用開源地面站Mission Planner，可以實現遙控校準、加速度校準和羅盤校準和各類參數的設定。Mission Planner是Windows，系統下工作的無人機地面控制站開源軟件，其主要特點是通過在地圖上的鼠標點擊入口來規劃，保存及加載自動任務，下載及分析由飛控板創建的任務記錄。學生可以方便地利用圖形界面進行測試、調試與二次開發，也增加了學生的學習興趣。

2.5圖像回傳系統

在實踐教學中，圖像回傳設備包括：7英寸雪花顯示屏；兩軸自平衡無刷云臺，可以搭載高清運動攝像機進行拍攝，可以通過遙控器操作，通過云臺中的電機轉動改變操作角度。圖像采集系統可以安裝攝像頭或者攝像機。其中機載高清攝像頭1個，用于實時采集飛行中的圖像，通過機載5.8 G傳輸模塊傳輸到遙控器的7寸顯示屏中。機載高清攝像機1個，用于飛行中的圖像的攝錄，飛行器起飛前開啟后，在整個飛行過程中進行錄像操作。另外還包括航拍0SD模塊1個，它把飛行數據疊加到攝像頭的視頻上，可以直觀實時了解飛行器的飛行狀態。該模塊為雙路視頻輸入，可前后安裝兩個攝像頭，通過遙控器實時切換；支持Pixhawk等開源飛控用的mavlink串口協議；并在無攝像頭或者攝像頭出故障時，沒有視頻信號輸入會產生一個標準的視頻信號用來疊加OSD信息；配合地面站Mission Planner，使得固件升級，參數設置通過USB完成。

圖1-2分別為本系統攝像頭和高清攝像機的回傳圖像，后期學生可以對這些回傳圖像進行高級的圖像處理、全景拼接等操作，為后續的相關課程也提供了很好的素材。

3.結語

通過本方案指導下的物聯網工程專業的專業課“無人機控制與影像”的專業實踐教學，在實際教學中收到了良好的教學效果。基于無人機軟件編程項目培養了學生自己動手解決問題的能力。學生通過對開源無人機項目二次開發的程序編寫，可以讓學生對整個無人機編程的流程和方面有比較徹底的掌握，而不是僅僅會使用現有的工具。做到“知其然，也知其所以然”。通過項目的實訓，能夠鞏固學生的相關專業的知識基礎：嵌入式知識、電子電路基礎、數電模電知識、通信知識、飛行控制算法（高數、線性代數）、編程語言與軟件開發技術（C/C++、數據結構）、計算機硬件基礎、數字控制原理與應用、數字圖像處理等，以提高學生的物聯網專業綜合素質。