基于無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)開(kāi)展無(wú)人機(jī)應(yīng)用教學(xué)的可行性研究

侯文雷

摘要：近年來(lái)，民用無(wú)人機(jī)行業(yè)呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)，我國(guó)部分高等院校也逐步嘗試開(kāi)展這方面技術(shù)的教育培訓(xùn)，甚至開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用課程，但是課程設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)技術(shù)、應(yīng)用重點(diǎn)等方面仍舊一片空白。文章針對(duì)無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)和無(wú)人機(jī)應(yīng)用教學(xué)有機(jī)融合進(jìn)行研究，旨在加快推進(jìn)我國(guó)高等院校無(wú)人機(jī)應(yīng)用教學(xué)的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)；無(wú)人機(jī)；教學(xué)；課程

1無(wú)人機(jī)研究背景

近年來(lái)，民用無(wú)人機(jī)在各行各業(yè)都呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，特別是在航拍、農(nóng)林、救災(zāi)、巡檢等領(lǐng)域，展現(xiàn)出無(wú)與倫比的魅力，成為各行各業(yè)追捧的新的技術(shù)增長(zhǎng)點(diǎn)，同時(shí)也極大地拓展了無(wú)人機(jī)應(yīng)用范圍。部分高等院校抓住機(jī)遇，開(kāi)展無(wú)人機(jī)相關(guān)教育培訓(xùn)，甚至嘗試開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)應(yīng)用課程。而如果以無(wú)人機(jī)為主體，配有相關(guān)的無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)系統(tǒng)，組成由無(wú)人機(jī)、任務(wù)設(shè)備、無(wú)線電測(cè)控與信息傳輸（數(shù)據(jù)鏈）分系統(tǒng)、地面指揮控制站、發(fā)射與回收分系統(tǒng)、保障與維修分系統(tǒng)等一整套系統(tǒng)，是一種全新的課程模式。為此，筆者結(jié)合高校教學(xué)的特點(diǎn)，針對(duì)無(wú)人機(jī)課程設(shè)計(jì)、發(fā)展及應(yīng)用情況進(jìn)行了研究探索，探討無(wú)人機(jī)應(yīng)用課程在高等院校廣泛開(kāi)展的可行性。

2教學(xué)無(wú)人機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)配置

當(dāng)前我國(guó)無(wú)人機(jī)廠家眾多，產(chǎn)品性能和質(zhì)量差異較大，除無(wú)人機(jī)產(chǎn)品外，廠家還配置和搭售相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用。針對(duì)教學(xué)用無(wú)人機(jī)，可以參照下列指標(biāo)進(jìn)行配置。

（1）具有安全飛行控制性能：主要指無(wú)人機(jī)在飛行中的安全可控程度，此項(xiàng)性能高的無(wú)人機(jī)安裝有雙冗余飛控模塊，有一鍵返航功能、低電自動(dòng)返回功能等，由于無(wú)人機(jī)一般均載物飛行，加上飛機(jī)自身重量，因此飛機(jī)一旦失控墜落后果將可能十分嚴(yán)重，因此對(duì)于在人員密集或車輛、建筑密集的區(qū)域來(lái)說(shuō)，這些都是非常重要的。

（2）具備基本的定點(diǎn)巡航能力，能夠預(yù)先設(shè)定飛行線路，設(shè)置懸停位置、時(shí)間、高度等，便于教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（3）具有3 kg以上的承載重量：主要是搭載教學(xué)設(shè)備，如攝像機(jī)等。

（4）具有一定的防損能力：包括飛機(jī)機(jī)身防火、防水和抗摔等方面，以及能夠抵抗4-5級(jí)以上大風(fēng)的能力，便于適應(yīng)不同的教學(xué)環(huán)境。

（5）具備30分鐘以上續(xù)航能力，結(jié)合電池消耗帶來(lái)的實(shí)際續(xù)航時(shí)間，考慮理論課程時(shí)間和實(shí)際操作時(shí)間相結(jié)合。

3無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)配置

3.1基于Android操作系統(tǒng)的應(yīng)用配置

隨著無(wú)人機(jī)在國(guó)內(nèi)外的迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的無(wú)人機(jī)特別是多旋翼配備了地面監(jiān)控系統(tǒng)。目前主流市場(chǎng)上，載有基于Linux的自由及開(kāi)放源代碼的Android操作系統(tǒng)的移動(dòng)終端已經(jīng)推出并廣泛應(yīng)用，份額逐漸擴(kuò)大，技術(shù)也越來(lái)越成熟。因此，選擇Android操作系統(tǒng)手機(jī)或者無(wú)線終端設(shè)備，成為無(wú)人機(jī)教學(xué)培訓(xùn)的重要手段。基于Android操作系統(tǒng)平臺(tái)開(kāi)發(fā)定制的無(wú)人機(jī)手持地面站，內(nèi)部集成高精度GPS，不經(jīng)電腦連接即可調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)，便于在教學(xué)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行及教學(xué)狀態(tài)。

3.2建設(shè)無(wú)線通信基站

如有條件，可以建設(shè)地面接收基站，便于無(wú)線圖像實(shí)時(shí)傳輸。基站可以設(shè)置視野開(kāi)闊地方，實(shí)現(xiàn)教學(xué)場(chǎng)地全境完全覆蓋。固定地面接收基站設(shè)備由一臺(tái)無(wú)線圖傳接收機(jī)和天饋系統(tǒng)組成。機(jī)動(dòng)接收基站可以選擇手提箱接收機(jī)，接收機(jī)應(yīng)配置USB接口，方便使用移動(dòng)儲(chǔ)存介質(zhì)進(jìn)行本地錄像，還須配置以太網(wǎng)口，通過(guò)以太網(wǎng)口可接入網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻信號(hào)，為了適合各種場(chǎng)合，機(jī)動(dòng)接收機(jī)的工作頻率通常由教師根據(jù)教學(xué)場(chǎng)合需要來(lái)確定。

4無(wú)人機(jī)課程任務(wù)重點(diǎn)

4.1教學(xué)任務(wù)目標(biāo)

發(fā)布任務(wù)命令，要求無(wú)人機(jī)到某指定地點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)。無(wú)人機(jī)駕駛員根據(jù)任務(wù)命令，將地面控制站和無(wú)人機(jī)展、安裝開(kāi)做好準(zhǔn)備工作，并進(jìn)行起飛、巡航、降落路線的選擇與規(guī)劃，在地面控制站設(shè)計(jì)飛行航路節(jié)點(diǎn)和飛行高度剖面，設(shè)計(jì)任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中各種工作模式和程序。然后將任務(wù)規(guī)劃中確定的參數(shù)載入到飛控計(jì)算機(jī)中，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃路線飛往任務(wù)執(zhí)行區(qū)，并在任務(wù)區(qū)上空?qǐng)?zhí)行既定任務(wù)。任務(wù)載荷分系統(tǒng)開(kāi)展搜索、拍攝等任務(wù)，并將獲得的圖像視頻，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸鏈路進(jìn)行發(fā)送給駕駛員。無(wú)人機(jī)執(zhí)行完任務(wù)后按照任務(wù)規(guī)劃航線返航，在起飛地點(diǎn)降落。

4.2教學(xué)任務(wù)完成方法

4.2.1人工操作方法

由學(xué)生人工操作發(fā)送指令經(jīng)上行信道傳遞至機(jī)載計(jì)算機(jī)，通過(guò)機(jī)載飛行控制與管理系統(tǒng)執(zhí)行對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)和飛行軌跡的控制。主要用于起飛和降落階段。

4.2.2自動(dòng)控制方法

在自動(dòng)控制飛行模式下，學(xué)生能夠操作無(wú)人機(jī)按預(yù)先編制好的程序自動(dòng)飛行，機(jī)載飛控系統(tǒng)根據(jù)程序規(guī)定的預(yù)定航線和定位系統(tǒng)給出的飛機(jī)實(shí)際位置，自主完成對(duì)飛行軌跡的控制。無(wú)人機(jī)在執(zhí)行遠(yuǎn)距飛行任務(wù)時(shí)，自動(dòng)控制是主要的飛行控制方式。

4.2.3應(yīng)急返航方法

無(wú)人機(jī)起飛后，例如無(wú)線電數(shù)據(jù)鏈上、下行信道連續(xù)丟失超過(guò)預(yù)定時(shí)間等問(wèn)題，立即自動(dòng)執(zhí)行“應(yīng)急返航”程序，返回到起飛地點(diǎn)，降落并關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。如遇突發(fā)事件，則通過(guò)學(xué)生發(fā)送“應(yīng)急返航”指令。在“應(yīng)急返航”模式下返回至起飛地點(diǎn)上空后，如果數(shù)據(jù)鏈恢復(fù)，則可以轉(zhuǎn)入“人工操作”模式，在“人工操作”模式下完成降落操作。如圖1所示。

5無(wú)人機(jī)教學(xué)原則

5.1移動(dòng)優(yōu)勢(shì)原則

當(dāng)前智能終端設(shè)備和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)處于高速發(fā)展期，移動(dòng)操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展日新月異，無(wú)人機(jī)應(yīng)用要充分結(jié)合移動(dòng)智能設(shè)備中特有的特性，如位置信息、重力感應(yīng)、多點(diǎn)觸控、語(yǔ)音、照相、視頻、磁場(chǎng)感應(yīng)等設(shè)計(jì)功能與操作，突破傳統(tǒng)PC模式下基于鼠標(biāo)+鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)。

5.2學(xué)生體驗(yàn)優(yōu)先原則

無(wú)人機(jī)應(yīng)用操作要簡(jiǎn)單，學(xué)生體驗(yàn)要親切。充分借鑒移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)?zāi)Ｊ揭约皩W(xué)生養(yǎng)成的使用習(xí)慣，學(xué)生體驗(yàn)要融入于無(wú)人機(jī)操作的全過(guò)程。

5.3平臺(tái)統(tǒng)—原則

選擇被學(xué)生廣泛運(yùn)用并熟悉掌握的Android操作系統(tǒng)手機(jī)或者無(wú)線終端設(shè)備，以及基于該平臺(tái)開(kāi)發(fā)定制的無(wú)人機(jī)手持地面站，目的都是堅(jiān)持統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和指導(dǎo)，有效降低建設(shè)及運(yùn)維成本。

5.4安全原則

無(wú)人機(jī)課程所處的環(huán)境（包括但不僅限于地點(diǎn)、設(shè)備、人員、天氣等）相對(duì)于其他課程而言更加開(kāi)放，不可控因素較多；因此，需要建立一套安全操作標(biāo)準(zhǔn)。

5.5移動(dòng)終端設(shè)備支持原則

智能終端設(shè)備更新?lián)Q代周期不超過(guò)1年。在這個(gè)唯一不變的就是“變化”的時(shí)期，緊緊跟隨技術(shù)和時(shí)代脈搏是主旋律。移動(dòng)應(yīng)用實(shí)施技術(shù)也需要抓住業(yè)界技術(shù)變化的主旋律，聚集主技術(shù)主設(shè)備。

5.6符合法律規(guī)定原則

無(wú)人機(jī)使用頻率應(yīng)當(dāng)通過(guò)無(wú)線電通信管理局核準(zhǔn)，建議以學(xué)校層面與相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)由工信部核發(fā)的無(wú)線電發(fā)射設(shè)備核準(zhǔn)證，確保無(wú)人機(jī)無(wú)線設(shè)備不對(duì)其他合法無(wú)線電業(yè)務(wù)造成干擾。

6結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型小巧，飛行與維護(hù)成本低，使用靈活，攜帶方便，是一個(gè)集中多種高科技的空中遙感平臺(tái)，在很多應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，隨著無(wú)人機(jī)市場(chǎng)的快速蓬勃發(fā)展，無(wú)人機(jī)應(yīng)用教學(xué)課程進(jìn)入高等院校課堂甚至發(fā)展成一門(mén)專業(yè)指日可待。而如何基于無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)系統(tǒng)，整合無(wú)人機(jī)平臺(tái)、遙感技術(shù)、實(shí)時(shí)圖像傳輸、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，為教學(xué)服務(wù)，是必須解決的一個(gè)重要課題，這必將填補(bǔ)我國(guó)無(wú)人機(jī)應(yīng)用課程教學(xué)的空白。