全尺寸四旋翼無人機教學(xué)平臺設(shè)計與課程開發(fā)

溫 凱, 陳 繆

(中國石油大學(xué)(北京) 油氣管道輸送安全國家工程實驗室, 北京 102249)

1 開發(fā)背景

隨著無人機跨越式的發(fā)展,無人機在各行各業(yè)需求速增。在民用領(lǐng)域,無人機用途廣泛,它既可以應(yīng)用于搶險救災(zāi)、航測航攝、國土資源管理、生態(tài)環(huán)境保護、城鎮(zhèn)規(guī)劃與市政管理、土地利用調(diào)查、水資源開發(fā)等領(lǐng)域,也可用于電力線路巡線、高速公路巡查、移動基站監(jiān)控、林業(yè)部門防火、農(nóng)業(yè)部門測產(chǎn)、病蟲害監(jiān)測與防治等作業(yè)[1]。無人機的培訓(xùn)也開始欣欣向榮,在實際的培訓(xùn)過程中,存在以下幾方面的問題：

(1) 無人機的理論學(xué)習(xí)與實踐操作是分開進行的,在講實踐的同時不能演示。這種教學(xué)模式造成理論教學(xué)與實驗教學(xué)分離、脫節(jié),在時間和空間上不能有機結(jié)合。理論教師與實驗教師是分開的,課程銜接性差,造成課程安排難度大,對教師要求高。此外,傳統(tǒng)的教學(xué)模式使得學(xué)生的積極性、主動性不高[2]。

(2) 對于無證人員的飛行實踐管理更加嚴格。 2016 年6月,民航局出臺了《輕小無人機運行規(guī)定(試行)》(以下簡稱《運行規(guī)定》),強調(diào)以大數(shù)據(jù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”為依托,細化分類,對低、慢、小無人機運行實施放管結(jié)合的差異化管理,以進一步維護輕小型無人機的飛行秩序,確保運行安全。在《運行規(guī)定》中制定了一些確保飛行安全的規(guī)定,如無人機駕駛員不得在酒后、藥物作用下操縱和架設(shè)飛行器、禁止魯莽飛行等；也有一些技術(shù)規(guī)范,如無人機必須具有有效的空地信號鏈路、機身上需注明個人信息等。我國在民用無人機安全飛行和空域管制方面,正在進行著積極而有效的探索和改革[3]。

(3) 無人機實踐培訓(xùn)期間發(fā)生無人機事故也時有發(fā)生[4]。無人機很容易出理事故,比如機械問題、失去衛(wèi)星信號、地磁傳感器錯誤、圖傳中斷、小型障礙物、返航點錯誤、突然斷電等問題。如果完全依靠真實無人機訓(xùn)練,會存在風(fēng)險。無人機不像有人駕駛飛機,當(dāng)有人駕駛飛機出現(xiàn)故障時,飛行員可根據(jù)故障情況采取一定措施，盡可能地使飛機安全著陸,但無人機在飛行時若發(fā)生故障,則很可能造成飛機墜毀。

(4) 無人機對電池依賴嚴重,訓(xùn)練時間受限。電池是懸翼無人機的能量來源,同時也是無人機的最大成本項。消費級無人機動力電池依舊是鋰電池占據(jù)主導(dǎo)。鋰電池具有輕巧、容量密度比大、耐用、充電快等優(yōu)點。而相對其他類型的電池,鋰電池自身特性嬌貴,供電品質(zhì)受溫度、電流開銷、電芯平衡性、放電曲線的影響,而供電品質(zhì)的變化又反作用于無人機,電源策略不當(dāng)更是有隨時發(fā)生空難的可能。過多的飛行練習(xí)會導(dǎo)致電池過早失效,致使無人機實機訓(xùn)練隱性成本增加、訓(xùn)練費用過高。

針對以上在無人機培訓(xùn)過程中存在的問題,我們開發(fā)一種室內(nèi)全尺寸四旋翼無人機教具平臺,把實際操作同理論學(xué)習(xí)有機的結(jié)合起來,將理論教學(xué)與實驗教學(xué)融為一體,即理論與實驗同步進行[5]。該平臺的一些專門針對室內(nèi)應(yīng)用的設(shè)計,能使學(xué)生實現(xiàn)邊學(xué)邊用的目的,更加快速和深入地掌握無人機的相關(guān)知識和技術(shù)。基于無人機教具安全性和透明式設(shè)計,無人機教具適用性廣,從小學(xué)到初高中、再到大學(xué)甚至工作群體均適用,只要對無人機稍感興趣,就可以通過該教具參加無人機的學(xué)習(xí),使無人機課程更加通俗易懂[6]。

2 無人機教學(xué)平臺設(shè)計

2.1 硬件介紹

無人機教學(xué)平臺硬件部分主要包括無人機本體、遙控器和支架組成(見圖1)。無人機本體采用650大四軸碳纖維折疊機架,在飛行體驗上同市場銷售的無人機尺寸完全一致。平臺飛控系統(tǒng)采用APM開源硬件,集成了姿態(tài)傳感器、磁場羅盤、氣壓計等,飛行控制單元通過串口同機載處理器進行通信,可以進行多種場景的二次開發(fā)。

圖1 無人機教學(xué)平臺硬件

無人機機架采用四座球頭軸承實現(xiàn),底部加裝200塊車用金屬配重。無人機本體同支架采用相機用快接連接,方便無人機的快速拆裝。無人機的控制采用6通道2.4 GHz遙控器,控制距離達到500 m。無人機平臺通過無線數(shù)傳可以將飛行狀態(tài)實時傳輸?shù)接嬎銠C端,將自身的飛行參數(shù)、位置信息以及姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示在大屏幕上。為了實現(xiàn)飛行時長不受限制,該無人機沒有采用常見的鋰電池供電方式,而是更換成了民用電的供電方式。

2.2 使用說明

開始使用時,首先將無人機電源接上民用電,打開電源。當(dāng)聽到電機發(fā)出滴滴的響聲時表明無人機上電完成,正常工作。

此時打開計算機,在計算機上連接APM_WIFI,將無人機同計算機數(shù)據(jù)通道連接起來。然后,打開地面站調(diào)試軟件Mission Planner。界面見圖2。

點擊圖2右上角的CONTECT(連接),端口選擇TCP模式,波特率選擇115 200,設(shè)置IP為192.168.0.99,端口57 600。當(dāng)界面數(shù)據(jù)開始變化時,說明成功連接。最后,將遙控器開機,4個開關(guān)調(diào)至最上端,左搖桿調(diào)至最下方,將左右操縱桿分別置于右下和左下進行解鎖,完成遙控器正常開機。此時,可以進行無人機的飛行操作和參數(shù)講解。

3 無人機課程設(shè)計

由于市場需求旺盛,當(dāng)今已有多家被AOPA授權(quán)的大型培訓(xùn)機構(gòu)。同時,各大高校紛紛開設(shè)無人機相關(guān)專業(yè),志在為國家培養(yǎng)一批“高精尖”的無人機人才。北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等知名高等學(xué)府均開設(shè)無人機科系。各種小型培訓(xùn)機構(gòu)層出不窮。北京的初高中已經(jīng)有一些學(xué)校相繼開設(shè)無人機課程,學(xué)校教育方面將對無人機課程需求增加[7]。

一般的商業(yè)無人機操作人員培訓(xùn)包括3個環(huán)節(jié),理論學(xué)習(xí)、模擬操作及實踐飛行。理論學(xué)習(xí)內(nèi)容包括民航的法律法規(guī)、無人機原理、系統(tǒng)組成、裝機調(diào)試等。實踐飛行訓(xùn)練主要考查4個項目,即4 s 360°全停、四方位全停、水平八線、地面戰(zhàn)略使用等。學(xué)校內(nèi)的課程則更加繁雜,大學(xué)的常見內(nèi)容包括數(shù)學(xué)模型、控制算法、自動駕駛等偏科研內(nèi)容；中小學(xué)則多是涉及無人機的操作實踐、航拍以及無人機的DIY等內(nèi)容[8]。

圖2 無人機地面站軟件界面

針對上述情況,我們在本教具的基礎(chǔ)上,開發(fā)了配套課程。課程內(nèi)容包括基礎(chǔ)知識、基本原理、課堂模擬、課外應(yīng)用等4個模塊,主要解決What、How、Why 3個問題,分別面向初級入門、中級應(yīng)用、高級研究等3個層次的人群。

專業(yè)基礎(chǔ)理論的內(nèi)容可以通過點選無人機不同組件,在計算機端自動跳出相應(yīng)的學(xué)習(xí)內(nèi)容[9]。主要包括無人機各分系統(tǒng)及主要部件的工作原理、性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)組成、功能作用及使用維護等。我們將相應(yīng)的內(nèi)容統(tǒng)一編成多媒體教材庫,以Flash動畫、數(shù)字語音、照片、圖像和視頻等形式,與無人機互動呈現(xiàn)在大屏幕上進行展示,學(xué)生可自主點選查看；部件級理論知識既可以按系統(tǒng)級理論知識的模式進行查看,又可以互動查看,采用這種方式可以增強理論知識學(xué)習(xí)的針對性,真正做知識內(nèi)實物對應(yīng),提高學(xué)生學(xué)習(xí)的直觀性。

不同于一般的室外飛行教學(xué)[10],飛行操作訓(xùn)練可以完全在室內(nèi)展開,由于無人機在無動力時由底座支撐,安全有保證。室內(nèi)飛行也不需要相應(yīng)的空域,可以隨時飛行。全尺寸平臺使學(xué)生在飛行過程中能夠達到真正室外飛行的實際體驗。飛行控制具有模擬遙測參數(shù)顯示、飛行航跡顯示、飛行姿態(tài)儀表顯示、模擬飛行指令編制、飛行控制及模擬實時監(jiān)視系統(tǒng)工作狀態(tài)、異常報警顯示等功能。這些功能是無人機教學(xué)和培訓(xùn)中常見的訓(xùn)練科目和內(nèi)容。教師能夠根據(jù)教學(xué)目標(biāo)編輯、設(shè)置訓(xùn)練任務(wù)、訓(xùn)練條件、初始環(huán)境,并根據(jù)下達的訓(xùn)練任務(wù),自動生成仿真訓(xùn)練環(huán)境和訓(xùn)練方案。平臺可以實時返回飛行信息,實時監(jiān)控、實時修改任務(wù)、實時設(shè)定特殊情況等功能,同時具有操作訓(xùn)練的演示、記錄、回放功能,以提供成績評判依據(jù),最后將訓(xùn)練結(jié)果進行記錄存儲,根據(jù)需要查詢訓(xùn)練的相關(guān)資料。

4 實際應(yīng)用

無人機技術(shù)是一門涉及多學(xué)科、跨專業(yè)、應(yīng)用廣泛的綜合性科學(xué)技術(shù),涉及對機械工程、嵌入式系統(tǒng)、地面站軟件等多方面內(nèi)容的理解與應(yīng)用。但現(xiàn)有的教學(xué)一般只側(cè)重單一內(nèi)容,無法將所學(xué)知識作為整體在一個平臺上集中體現(xiàn)[11]。本無人機教學(xué)平臺,在結(jié)合所需知識的基礎(chǔ)上,將實際操作同課堂教學(xué)結(jié)合,讓學(xué)生將書本中的知識運用到實際操作中,在鞏固理論知識的同時提高了動手能力。

在大學(xué)的科技創(chuàng)新課堂中,選課學(xué)生對該平臺可以親自動手操作表現(xiàn)出濃厚興趣。我們根據(jù)此平臺開設(shè)的中學(xué)無人機課程,成功入圍相關(guān)學(xué)校的科學(xué)實踐課程中。在同類課程,學(xué)生的選課人數(shù)達到班容量的100%。通過2個學(xué)期的學(xué)習(xí),零基礎(chǔ)的中學(xué)生不僅能夠熟練操作無人機作出復(fù)雜的飛行動作,對于無人機的理論也是理解深入。有條件的學(xué)生更是能夠通過自主購買基礎(chǔ)零件,獨力組裝出自己的無人機。

5 結(jié)論

本無人機教學(xué)平臺采用全尺寸實物仿真方式,建立逼真的無人機飛行訓(xùn)練環(huán)境,大大提高了培訓(xùn)效率,降低學(xué)習(xí)難度,縮短培訓(xùn)時間[12]。該平臺的開發(fā)將現(xiàn)代高新技術(shù)與傳統(tǒng)理論教學(xué)有機結(jié)合,在降低硬件投入的基礎(chǔ)上,幫助學(xué)生深入了解無人機技術(shù)的實際應(yīng)用,讓學(xué)生對理論知識有了深刻理解。