以系統能力為導向的無人機系統開發綜合實踐教學探索

李俊杰，譚德立，王千秋，羅先錄

摘要：針對目前計算機系統能力培養存在的課程之間彼此孤立、缺乏系統級綜合實踐環節的問題，利用當下主流的開源軟硬件資源和通用的機器人操作系統，有淺至深，提出了一種有效的無人機系統開發實踐教學方法。實踐表明，學生不僅從工程應用角度快速掌握無人機系統開發，提升了工程實踐能力，同時提升了對計算機軟硬件、系統能力的認知。

關鍵詞 ：系統能力;實踐教學;無人機系統

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0152-02

1 引言

計算機系統能力主要培養學生開發時的系統觀和系統方法，圍繞學生能夠獨立軟硬件系統齊全，能真實反映計算機系統基本運行原理層次結構、清晰完整的計算機系統的目的，提供具體的實施的建議，其特點是多課程聯動，注重課程間知識點的有機銜接。加強計算機類專業學生的系統能力培養，注重提升學生實踐能力，已經成為教育界、學術界和工業界的共識。

無人機技術作為物聯網技術發展的一個重要領域，近兩年來在市場逐步興起并迅速升溫，隨著國內低空領域的放開，無人機行業的發展出現了井噴的態勢。隨著國家“創客”“雙創”等政策大力支持，技術創新導向的創業教育迎來了新局面，各種電子設計大賽，創新創業比賽中與無人機、人工智能相關的課題越來越多，大學生對無人機的關注也越來越多。為了更好地培養適應新技術發展的、具有系統設計和系統應用能力的計算機專門人才，我們需要對原有的實踐課程體系進行改革，需要設立系統級綜合性實踐課程，使得核心課程之間內容聯系更緊密、銜接更順暢[1-2]。因此，將計算機系統能力的培養落實到無人機開發的實踐教學中，是一個創新的結合。無人機系統開發是一門多學科交叉的實踐課程，涉及高等數學、大學物理、模擬/數字電路、C語言、單片機、移動應用開發等多門基礎知識，運用到自動控制原理、信號處理與測試技術、飛行器導航系統、計算機視覺、人工智能等專業知識，這些正是計算機系統能力培養的素質，是培養軟硬兼通的計算機專業人才的重要實踐案例。

2 梯度綜合實踐體系

培養適應計算機新技術、新問題、新領域發展的人才，我們必須要從易到難，從可以實現到較高目標定位來逐步提升學生自身分析能力、技術能力，落實系統能力的培養。以計算機系統能力為導向的無人機開發實踐課程，在實踐的同時注重計算機系統能力的培養，由淺入深、層層剖析飛行器控制原理，控制算法，軟件實現和傳感器應用等內容，從工程應用角度，幫助學生快速掌握無人機開發基本原理，深入理解計算機專業基礎知識，提升學生綜合實踐能力。在課程開展過程中，學生的興趣將會被動手組裝操作飛機、飛機調參，嵌入式開發，算法物理意義探索、軟件編程等問題逐步吸引和調動，不斷提出自己的想法，發散思維進而實現技術導向的創新創業。

1）基礎能力訓練

本階段實踐目標集中在讓學生感性地認識無人機系統，激發學習主動性。這一階段學習涵蓋了無人機系統組成、四旋翼飛行器基本知識、飛行原理、DIY四旋翼無人機組裝調試、動力裝置、飛行控制技術等基礎知識，讓從未接觸過工程項目的學生從零開始進行工程思維與能力的訓練。教師以實際問題為導向，講授基礎知識點，并重點講述當前無人機核心技術和難點。基于專業所學課程，比如：模電、數電、電路、C語言等課程，以無人機為教學載體，讓學生通過動手實踐進行多學科的實踐、驗證、開發，鞏固所學的專業基礎知識，為后面兩個階段進行無人機創新研發實踐指引方向和奠定理論基礎。學生則通過動手實踐鞏固強化四旋翼無人機的基礎知識及工作原理。

2） 專業能力訓練

無人機系統開發涉及無人機設計原理、空氣動力學、自動化、電子信息、嵌入式、軟件開發、人工智能、計算機視覺、機械設計等技術。在學習了無人機基礎知識的基礎上，本階段的實踐內容將教學內容模塊化，根據各個專業的特長，因材施教，有針對性地進行訓練，鼓勵和引導學生主動去探索和解決問題。

（1）軟件工程專業移動應用開發方向可以進行手機終端App開發、無人機地面站軟件開發，與底層硬件通信，遠程遙控;

（2）軟件工程大數據與機器學習方向，可以以無人機機器視覺為載體開展障礙物檢測、目標跟蹤等視覺類課程，以無人機深度學習自主導航為載體開展人工智能類課程;

（3）針對電子信息工程專業，開源飛控、姿態傳感器模塊介紹，對飛機的路徑、高度、避障方式等做二次開發，以無人機的飛控和各類無人機傳感器為載體，開展具有特色的嵌入式課程。

根據技術難點，定期開設技術專題。

（1）超聲波避障專題：超聲波避障原理、超聲波測距程序編程調試;控制板與飛控通信方式;接上控制板進行地面調試;接上控制板試飛，參數調節等。

（2）視覺巡線專題：視覺巡線原理，攝像頭程序編寫調試。

（3）計算機視覺專題：針對光伏行業飛機拍攝的圖片，進行壞點檢測，模式識別。

3）綜合能力訓練

通過基礎能力訓練與專業能力訓練兩個階段的無人機基礎理論學習、子模塊開發與子系統設計的全過程訓練，學生已初步具備無人機設計、開發和組裝調試能力。在本階段，學生對接畢業設計、學科競賽和創新實踐，將所有知識串聯起來，完成一個具有創新型和實用性的無人機系統研制。軟件工程專業和電子信息工程專業學生根據自己的特長，選擇無人機開發的切入點，自行組隊，針對某一應用場景，如用于電力線路巡線、高速公路巡查、空氣質量探測、移動基站監控、林業部門防火、農業部門測產、病蟲害監測與防治等作業等，開發具體的應用案例。實踐的重點是要充分調動學生的自主學習能力和分析問題解決問題的能力，激發學生的求知欲和創造潛能，引導學生探索無人機系統、圖像處理、人工智能、邊緣計算等前沿技術。

3 結論

將計算機系統能力的培養落地到具體的一個無人機開發的綜合實踐，其中涉及硬件開發、嵌入式開發、軟件開發、人工智能及計算機視覺等技術點，打破課程間、學科間的壁壘，提升了知識點網絡的黏性與組織能力，可操作性強，對學生計算機系統能力的培養具有重要意義。

參考文獻：

[1] 王志英，周興社，袁春風，等.計算機專業學生系統能力培養和系統課程體系設置研究[J].計算機教育，2013（9）：1-6.

[2] 羅先錄，譚德立，張永棠，等.應用型本科計算機類專業系統能力培養課程體系[J].軟件工程，2016，19（2）：55-57.

[3] 曹凱，馬貝，王翔武.四旋翼飛行器控制系統設計[J].計算機系統應用，2018（27）：61-65.

【通聯編輯：李雅琪】