無人機課程理論與實踐教學(xué)改革研究

王亮 王晶

摘要：隨著我國通用航空體制的不斷改革與完善，無人機行業(yè)將迎來前所未有的發(fā)展機遇。無人機產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展急需無人機系統(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，深化加強無人機教學(xué)課程改革和實踐工作，對于培養(yǎng)大量優(yōu)秀的無人機相關(guān)專業(yè)人才具有重要意義。

關(guān)鍵詞：無人機;課程理論;實踐教學(xué)

1 課程教學(xué)現(xiàn)狀

1.1 課題體系與課時量不足

無人機方向課程由“無人機原理與構(gòu)造”“自動飛行控制系統(tǒng)”“無人機導(dǎo)航技術(shù)”三門課程組成。“無人機原理與構(gòu)造”課要求學(xué)生了解無人機相關(guān)知識，并培養(yǎng)無人機組裝、調(diào)試和操控能力。據(jù)調(diào)查，天途航空AOPA 無人機培訓(xùn)中安排理論課程60 學(xué)時和實操培訓(xùn)74 學(xué)時。

1.2 教材不適用

教材是無人機課程的核心，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、學(xué)習(xí)效果不佳等問題。此外，僅有的無人機相關(guān)教材也不是很適合于本校無人機課程的教學(xué)。

1.3 實驗平臺不適用

雖然已采購25 套四旋翼無人機作為教學(xué)使用，但每年近150 名學(xué)生選課，無人機數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在教學(xué)過程中無人機的損耗率也較高。已采購的無人機采用PIXHAWK 飛控，雖然能滿足無人機基礎(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。

2 課程教學(xué)內(nèi)容改革

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

2.1.1 課程實驗安排從基礎(chǔ)入手，分段培養(yǎng)

在無人機組裝和調(diào)試方面，要求學(xué)生：能夠根據(jù)無人機硬件平臺使用說明書進行拆裝調(diào)試無人機;在不安裝槳葉的情況下完成機架選型，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;進行無人機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。

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

針對實驗設(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實驗平臺，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單片機教學(xué)，飛控板子結(jié)合STM32 常用知識，綜合性以及實用性強大。此外，在自制實驗平臺、編寫配套例程與教材的過程中，讓學(xué)生積極參與進來，參與硬件和軟件調(diào)試以及相關(guān)教學(xué)資料整理。

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

“無人機導(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，增加無人機避障/定位技術(shù)的理論和實驗內(nèi)容。學(xué)生根據(jù)自身的愛好和特長，選擇無人機開或應(yīng)用為切入點。例如：喜歡操控?zé)o人機的學(xué)生，可以思考讓無人機搭配各種任務(wù)載荷（如航拍攝像機、機械爪和喊話裝置等模塊），在無人機的行業(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，可以思考如何實現(xiàn)無人機室內(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)機制，使學(xué)生能在課前預(yù)習(xí)指定教學(xué)內(nèi)容，實現(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;加強課程的過程性考核，建立有效可執(zhí)行的課內(nèi)實驗與課后作業(yè)提問驗收機制，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，選擇無人機開發(fā)或應(yīng)用方面為切入點，可以自行設(shè)計項目，組成團隊進行設(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)下進行課外科研與工程實踐，提高實踐動手能力和創(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

通過無人機方向課程的理論和實踐教學(xué)，讓學(xué)生逐步了解無人機行業(yè)領(lǐng)域，調(diào)動學(xué)生的無人機學(xué)習(xí)興趣。通過學(xué)生動手操控?zé)o人機、編寫無人機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，提高無人機教學(xué)質(zhì)量，并實現(xiàn)學(xué)生的科研項目反哺教學(xué)。

參考文獻：

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