虛實(shí)結(jié)合的無(wú)人機(jī)控制實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

陳 建， 杜楠楠， 曹 毅， 韓 宇

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)a.工學(xué)院；b.水利與土木工程學(xué)院，北京 100083；2.北京航空航天大學(xué)a.自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院；b.前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院，北京 100191；3.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096）

0 引 言

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，以機(jī)器人、無(wú)人駕駛汽車(chē)和無(wú)人機(jī)為代表的無(wú)人系統(tǒng)開(kāi)始代替人類(lèi)完成各項(xiàng)工作［1-2］。無(wú)人系統(tǒng)集機(jī)械化、電氣化、信息化和智能化為一體［3］，涉及機(jī)械、控制、計(jì)算機(jī)和通信等多個(gè)學(xué)科。在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略目標(biāo)的指引下，該領(lǐng)域已經(jīng)成為社會(huì)重點(diǎn)推廣領(lǐng)域和提升國(guó)家智能化水平的重要標(biāo)志之一。在無(wú)人系統(tǒng)中，較為典型的是無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，其中民用無(wú)人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保［4-5］、教育［6］、電力巡線、地理測(cè)繪與環(huán)境遙感［7-10］、影視航拍等方面應(yīng)用潛力巨大，特別是近年來(lái)伴隨著人工智能技術(shù)的跨越式發(fā)展，無(wú)人機(jī)已成為應(yīng)用智能技術(shù)的理想載體［11］。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，十九大報(bào)告指出，要加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展，推動(dòng)我國(guó)從農(nóng)業(yè)大國(guó)向農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)加快邁進(jìn)［12］。智能無(wú)人系統(tǒng)可以推動(dòng)農(nóng)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展，2017年我國(guó)農(nóng)作物耕、種、收綜合機(jī)械化水平達(dá)到了67%［13］，在此基礎(chǔ)上推動(dòng)農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要技術(shù)途徑。

無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域涉及的知識(shí)和機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)課程的重合度較高，以無(wú)人系統(tǒng)為載體開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課，可以在實(shí)驗(yàn)中融合控制工程基礎(chǔ)、工程測(cè)試技術(shù)、傳感器技術(shù)與應(yīng)用和計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)等多門(mén)課程的內(nèi)容，通過(guò)實(shí)驗(yàn)加深同學(xué)們對(duì)理論知識(shí)的理解。以無(wú)人機(jī)為載體開(kāi)展實(shí)驗(yàn)課，一方面可以幫助同學(xué)們了解無(wú)人機(jī)及無(wú)人系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)，另一方面無(wú)人機(jī)可開(kāi)發(fā)空間大，體積較小，適用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)課學(xué)習(xí)。

此外，Python逐漸發(fā)展為工程中常用的編程語(yǔ)言。在2019年7月發(fā)布的編程語(yǔ)言流行指數(shù)排行榜中，Python在趨勢(shì)、開(kāi)源和職位需求等方面均位居第一［14］。其功能強(qiáng)大，語(yǔ)法清晰簡(jiǎn)潔，容易入門(mén)，能夠幫助學(xué)生擺脫語(yǔ)法細(xì)節(jié)的困擾，而關(guān)注程序的邏輯和算法本身［15］，對(duì)學(xué)生編程思維的訓(xùn)練幫助較大。教育部考試中心也決定自2018年起，在計(jì)算機(jī)二級(jí)考試中加入“Python語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”科目［16］。此外，在工程實(shí)踐中去學(xué)習(xí)一門(mén)編程語(yǔ)言，對(duì)語(yǔ)言的理解會(huì)更加深刻。目前在機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的課程培養(yǎng)中，編程語(yǔ)言的培養(yǎng)以C語(yǔ)言為主，C語(yǔ)言也是目前我國(guó)大學(xué)針對(duì)非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)普遍開(kāi)設(shè)的課程，但由于非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生相關(guān)編程課程開(kāi)設(shè)較少，不太滿足當(dāng)前就業(yè)市場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)需求，難有機(jī)會(huì)將其應(yīng)用在日后的工作中［17］。此外，機(jī)電專(zhuān)業(yè)結(jié)合工程應(yīng)用進(jìn)行編程訓(xùn)練的課程較少。據(jù)此在本門(mén)實(shí)驗(yàn)課中，將Python編程應(yīng)用于無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)中，在訓(xùn)練學(xué)生編程思維的同時(shí)，提高其工程實(shí)踐開(kāi)發(fā)能力。由于目前很多科技公司也正逐漸將Python作為主要編程語(yǔ)言，因此本門(mén)課還可為學(xué)生日后工作做準(zhǔn)備。

1 教學(xué)目的與教學(xué)設(shè)計(jì)

1.1 教學(xué)目的

針對(duì)本科生開(kāi)設(shè)無(wú)人機(jī)控制實(shí)驗(yàn)課程，以多旋翼無(wú)人機(jī)為平臺(tái)，結(jié)合農(nóng)業(yè)應(yīng)用的廣闊背景，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)用人工智能與智能控制的先進(jìn)方法和技術(shù)，對(duì)機(jī)械電子工程學(xué)科的實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步拓深，使得機(jī)電專(zhuān)業(yè)學(xué)生能夠深刻感悟和理解智能無(wú)人機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性和前沿性，認(rèn)識(shí)到民用無(wú)人機(jī)研究方向的重要性，全方位滿足本科生機(jī)電控制理論實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的教學(xué)和研究需要。本課程堅(jiān)持以虛實(shí)結(jié)合為原則，首先搭建多臺(tái)室內(nèi)多旋翼無(wú)人機(jī)為智能控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，同時(shí)開(kāi)設(shè)適合于虛擬仿真教學(xué)的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，方便學(xué)生練習(xí)和試錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的共享，之后基于Python語(yǔ)言對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。以培養(yǎng)本科生科研創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力為目的，利用智能無(wú)人機(jī)平臺(tái)作為機(jī)電控制前沿技術(shù)的實(shí)驗(yàn)載體，將創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力培養(yǎng)融入無(wú)人機(jī)控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以打造實(shí)驗(yàn)教學(xué)“金課”。并且該課程對(duì)于本科生而言難度適中，不會(huì)出現(xiàn)課程內(nèi)容無(wú)法完成的現(xiàn)象。

最終目標(biāo)為調(diào)動(dòng)本科生從事科研創(chuàng)新的興趣和積極性，通過(guò)此門(mén)課激發(fā)鼓勵(lì)其參加無(wú)人系統(tǒng)智能控制相關(guān)的科創(chuàng)項(xiàng)目、參加國(guó)內(nèi)外智能機(jī)器人創(chuàng)新競(jìng)賽、撰寫(xiě)高水平科研論文并參加國(guó)內(nèi)外智能無(wú)人系統(tǒng)高水平學(xué)術(shù)會(huì)議等。希望通過(guò)本課程，不僅使得學(xué)生了解無(wú)人機(jī)、人工智能、智能控制領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)和概念，還使得部分同學(xué)對(duì)智能無(wú)人系統(tǒng)與智能控制產(chǎn)生強(qiáng)烈興趣，未來(lái)能夠繼續(xù)深造智能無(wú)人系統(tǒng)與智能控制研究方向的碩士、博士，或者從事智能無(wú)人系統(tǒng)產(chǎn)學(xué)研方面的工作。

1.2 授課方式設(shè)計(jì)

通過(guò)以往對(duì)機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)本科生實(shí)驗(yàn)課表現(xiàn)的觀察，發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)課上存在學(xué)生狀態(tài)松散的問(wèn)題。一方面由于實(shí)驗(yàn)課和理論課不同，實(shí)驗(yàn)課上對(duì)理論知識(shí)的講解相對(duì)較少，并且老師不會(huì)帶著一步一步完成，更多時(shí)候需要學(xué)生主動(dòng)思考，部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中遇到困難不積極想辦法解決。另一方面，由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制等原因，多數(shù)實(shí)驗(yàn)課需要以多人1個(gè)小組的方式進(jìn)行，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在部分學(xué)生袖手旁觀的現(xiàn)象，常出現(xiàn)每個(gè)小組只有一兩個(gè)人在動(dòng)手動(dòng)腦，這樣不僅對(duì)部分學(xué)生的鍛煉不夠，而且在后期評(píng)分時(shí)也無(wú)法保證公平。

針對(duì)以上現(xiàn)狀，根據(jù)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和無(wú)人機(jī)數(shù)量，為了保證每個(gè)同學(xué)的實(shí)驗(yàn)參與度，本門(mén)課限定小組人數(shù)為3人。為了及時(shí)給每個(gè)同學(xué)提供指導(dǎo)，提高實(shí)驗(yàn)效率，同時(shí)為了記錄每個(gè)同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中的參與度，每2個(gè)小組安排1個(gè)助教，負(fù)責(zé)課堂記錄和現(xiàn)場(chǎng)答疑。此外，為了保證評(píng)分的公平性，將此門(mén)課的評(píng)分分為課上表現(xiàn)、實(shí)驗(yàn)演示和課程論文3個(gè)部分。“課上表現(xiàn)”體現(xiàn)了學(xué)生課上的參與度；“實(shí)驗(yàn)演示”體現(xiàn)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)結(jié)果水平的高低；“課程論文”體現(xiàn)了學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)知識(shí)理解認(rèn)知的深入程度。此外，由于實(shí)驗(yàn)具有一定難度，并且為了保證學(xué)生能及時(shí)掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，以防遺忘，特將課程分為4節(jié)課，每節(jié)課時(shí)長(zhǎng)4學(xué)時(shí)。

1.3 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于教學(xué)目的，本著以興趣為引導(dǎo)，由淺入深進(jìn)行實(shí)踐的設(shè)計(jì)初衷，本課程從無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)介紹、無(wú)人機(jī)虛擬仿真飛行和無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行3個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)。課程按照了解無(wú)人機(jī)、操作無(wú)人機(jī)、開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)的思路循序漸進(jìn)，盡量讓同學(xué)們?cè)谑煜け咎谜n講授內(nèi)容的同時(shí)，能夠?qū)o(wú)人機(jī)的下一步開(kāi)發(fā)產(chǎn)生興趣。

根據(jù)課程節(jié)數(shù)，每節(jié)課教學(xué)內(nèi)容如下：①多旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)和工作原理；②仿真實(shí)驗(yàn)：虛擬仿真實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)積木編程；③飛行實(shí)驗(yàn)：編程實(shí)現(xiàn)單架無(wú)人機(jī)飛行控制；④飛行實(shí)驗(yàn)：自主設(shè)計(jì)多架無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行。圖1所示為課程進(jìn)展安排。

圖1 課程進(jìn)度安排

在實(shí)驗(yàn)課無(wú)人機(jī)平臺(tái)選擇方面，應(yīng)當(dāng)考慮其安全性、飛行占地面積、可供開(kāi)發(fā)空間等多方面因素。最終選擇的Tello無(wú)人機(jī)，是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)教育行業(yè)設(shè)計(jì)的小型四旋翼無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)的飛控系統(tǒng)由大疆公司授權(quán)使用，同時(shí)搭載高性能處理器及視覺(jué)定位系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)者可通過(guò)移動(dòng)設(shè)備上的Tello APP來(lái)控制無(wú)人機(jī)起飛、降落及拍照等，也可將程序?qū)懭腼w控系統(tǒng)來(lái)控制無(wú)人機(jī)的飛行路徑。其體積約為175 mm×175 mm×115 mm，起飛質(zhì)量為87 g，體積小，質(zhì)量輕，適合在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境飛行。其最長(zhǎng)飛行時(shí)間為13 min，在多塊電池配備充足的情況下，可滿足上課需求。此外，Tello配備槳葉保護(hù)罩和整機(jī)保護(hù)罩，并具備失控保護(hù)功能，在受到意外碰撞時(shí)將自動(dòng)停轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，因此可保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的安全性。圖2所示為T(mén)ello無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 Tello無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 課程內(nèi)容介紹

首先了解無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史及關(guān)鍵技術(shù)等，這部分主要通過(guò)教師的講解、學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)的組裝、以及學(xué)生自學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)組成。之后進(jìn)行無(wú)人機(jī)飛行實(shí)驗(yàn)，這部分分為虛擬仿真和實(shí)際操作兩部分。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的目的是首先建立起無(wú)人機(jī)飛行的空間概念，設(shè)計(jì)仿真無(wú)人機(jī)的飛行軌跡，可以在引發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)，用作實(shí)際飛行的預(yù)演。之后無(wú)人機(jī)的實(shí)際飛行主要基于Python編程開(kāi)發(fā)，從單機(jī)飛行控制和多機(jī)編隊(duì)飛行控制兩方面展開(kāi)。這部分是對(duì)學(xué)生的創(chuàng)新能力、編程能力和團(tuán)隊(duì)合作能力等多方面的綜合考察。每節(jié)課的具體內(nèi)容展開(kāi)如下。

2.1 多旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)和工作原理

教師首先講解無(wú)人機(jī)的發(fā)展歷史、應(yīng)用現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)以及現(xiàn)階段存在的問(wèn)題，這部分主要以農(nóng)業(yè)無(wú)人機(jī)為背景進(jìn)行展開(kāi)。之后學(xué)生通過(guò)拆解和組裝Tello無(wú)人機(jī)，熟悉其機(jī)架、電動(dòng)機(jī)、電調(diào)、飛控、攝像頭、紅外傳感器等各配件的功能與結(jié)構(gòu)。圖3所示為學(xué)生在拆解無(wú)人機(jī)并向助教提問(wèn)。

圖3 學(xué)生拆解無(wú)人機(jī)課堂現(xiàn)場(chǎng)

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)：虛擬仿真實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)積木編程

下載Tello及Tello EDU APP，通過(guò)WiFi建立與無(wú)人機(jī)的通信，首先通過(guò)APP操作無(wú)人機(jī)在一鍵智能飛行方式下的平穩(wěn)飛行和降落，并利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍，之后利用升降控制、偏航控制、滾轉(zhuǎn)控制、陀螺儀控制、俯仰橫滾控制等手柄界面來(lái)實(shí)操無(wú)人機(jī)飛行，讓學(xué)生初步感受操作無(wú)人機(jī)的樂(lè)趣。圖4（a）所示為APP操控?zé)o人機(jī)飛行的界面，圖4（b）所示為學(xué)生課上操作無(wú)人機(jī)飛行的畫(huà)面。

APP中的虛擬現(xiàn)實(shí)仿真關(guān)卡為一個(gè)具有虛擬飛行器的編程接口，利用此接口，通過(guò)編輯器來(lái)控制虛擬的飛行器，在虛擬現(xiàn)實(shí)3D場(chǎng)景中，完成任務(wù)。進(jìn)入虛擬關(guān)卡，拖曳積木控制虛擬飛行器挑戰(zhàn)。虛擬關(guān)卡如圖5所示。熟悉各個(gè)積木編程的代碼并使用積木編程，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)定點(diǎn)降落、躲避障礙物、空中畫(huà)矩形等簡(jiǎn)單模式；最后運(yùn)用邏輯積木、飛行積木、感應(yīng)積木、變量積木規(guī)劃飛行路徑，4種積木以不同的形式設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)路徑，可組合開(kāi)發(fā)，可發(fā)揮空間較大。關(guān)卡挑戰(zhàn)的形式在引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課興趣的同時(shí)，建立了無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃的空間感；積木編程規(guī)劃飛行路徑的方式可為之后的無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行路徑設(shè)計(jì)提供仿真試錯(cuò)。圖5（a）所示為虛擬現(xiàn)實(shí)仿真關(guān)卡編輯器部分界面，圖5（b）所示為積木編程中飛行積木的編輯界面。

圖5 虛擬仿真界面及積木編程界面

2.3 飛行實(shí)驗(yàn)1：編程實(shí)現(xiàn)單架無(wú)人機(jī)飛行控制

搭建Python編程環(huán)境，建立PC或移動(dòng)設(shè)備與無(wú)人機(jī)WiFi通信架構(gòu)，通過(guò)Python編程使無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)識(shí)別、旋轉(zhuǎn)、弧線飛行、最終降落等任務(wù)。通過(guò)Python讀取無(wú)人機(jī)運(yùn)行速度、電池電量、電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間等參數(shù)；運(yùn)用Python編程使無(wú)人機(jī)自動(dòng)快速識(shí)別挑戰(zhàn)卡，并能按照輸入指令在挑戰(zhàn)卡構(gòu)成的坐標(biāo)系中定點(diǎn)降落以及執(zhí)行一些任務(wù)。圖6（a）所示為挑戰(zhàn)卡示意圖，圖6（b）所示為學(xué)生編程操控?zé)o人機(jī)飛行。

圖6 Python編程操控現(xiàn)場(chǎng)及挑戰(zhàn)卡

2.4 飛行實(shí)驗(yàn)2：自主設(shè)計(jì)多架無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行

基于Tello示例程序進(jìn)行無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行開(kāi)發(fā)。首先將編隊(duì)無(wú)人機(jī)建立在同一個(gè)局域網(wǎng)下，之后編程控制每架無(wú)人機(jī)的飛行軌跡形成隊(duì)形。以編隊(duì)飛行作業(yè)的方式來(lái)模擬農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多智能體編隊(duì)集群控制。其中，學(xué)生不僅可以使用Python編程進(jìn)行路徑規(guī)劃，還可借助挑戰(zhàn)卡來(lái)進(jìn)行定點(diǎn)作業(yè)，從而增加難度。在演示中，有同學(xué)利用多架無(wú)人機(jī)在空中畫(huà)出了“圣誕樹(shù)”等更為復(fù)雜的圖形；有同學(xué)借助無(wú)人機(jī)，在空中畫(huà)出了朋友的名字；有同學(xué)借助挑戰(zhàn)卡，規(guī)劃出無(wú)人機(jī)在不同地點(diǎn)的懸停作業(yè)路徑。圖7（a）所示為借助挑戰(zhàn)卡的實(shí)驗(yàn)演示，圖7（b）所示為學(xué)生在設(shè)計(jì)方案時(shí)遇到問(wèn)題后和助教討論。

圖7 實(shí)驗(yàn)演示及課堂討論現(xiàn)場(chǎng)

2.5 實(shí)驗(yàn)課前、課后的安排

為使課程銜接流暢，保證學(xué)生在課上的效率，需安排課前預(yù)習(xí)。基于上述每堂課的課程內(nèi)容，課前預(yù)習(xí)內(nèi)容如圖8所示。

圖8 每堂課及課前預(yù)習(xí)內(nèi)容

此外，限于課時(shí)，實(shí)驗(yàn)課對(duì)無(wú)人機(jī)理論知識(shí)的講解較少，并且考慮到實(shí)驗(yàn)課的主要內(nèi)容是無(wú)人機(jī)控制實(shí)踐，因此將對(duì)無(wú)人機(jī)理論知識(shí)的鞏固和對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的總結(jié)轉(zhuǎn)化為對(duì)課程論文的要求，以此來(lái)督促學(xué)生在自學(xué)中鞏固知識(shí)，在總結(jié)中牢靠掌握。

3 課程評(píng)價(jià)及教學(xué)效果

在課程結(jié)束后，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生表現(xiàn)的總結(jié)反思以及對(duì)8個(gè)實(shí)驗(yàn)小組對(duì)本門(mén)課的效果反饋，總結(jié)本課程教學(xué)效果有以下幾點(diǎn)。

3.1 專(zhuān)業(yè)相關(guān)性強(qiáng)

8個(gè)小組的同學(xué)均認(rèn)為本門(mén)課和機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的相關(guān)度較高。隨著無(wú)人系統(tǒng)及無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生的培養(yǎng)也應(yīng)該結(jié)合新興領(lǐng)域的應(yīng)用。首先，本門(mén)課的課程設(shè)計(jì)和題材選擇比較新穎，是平常同學(xué)們很少接觸到的無(wú)人機(jī)領(lǐng)域；其次，本課程也與機(jī)電專(zhuān)業(yè)的智能測(cè)控和機(jī)器人專(zhuān)業(yè)方向有比較大的聯(lián)系。本門(mén)課作為一個(gè)了解無(wú)人機(jī)知識(shí)的途徑，實(shí)踐性強(qiáng)，需要同學(xué)自己選定題目，確定飛行路線，選擇合適的飛行距離、飛行方式，有比較大的發(fā)揮空間。Python編程內(nèi)容的加入也幫助同學(xué)們?cè)诰幊谭矫嬗辛烁嗟挠?xùn)練。

3.2 課程安排合理

50%以上的小組提到本課程的進(jìn)度安排合理，使學(xué)生按照了解無(wú)人機(jī)、操作無(wú)人機(jī)、開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)等環(huán)節(jié)循序漸進(jìn)。不斷加深對(duì)無(wú)人機(jī)功能的了解并熟悉Python的編程思維，讓同學(xué)們經(jīng)過(guò)整個(gè)課程的學(xué)習(xí)，不僅體會(huì)到課程的樂(lè)趣，還能夠激發(fā)自身的創(chuàng)造力。本課程安排的助教保證了實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題可以及時(shí)解決，并保證了每位同學(xué)都能夠深入地參與到課程中。此外，學(xué)生自主開(kāi)發(fā)為主、老師講解為輔的上課模式，也給同學(xué)們比較多的思考機(jī)會(huì)和不受束縛展現(xiàn)能力的機(jī)會(huì)。

3.3 趣味性強(qiáng)

8個(gè)小組均認(rèn)為本門(mén)課的趣味性較強(qiáng)，從虛擬仿真環(huán)境到無(wú)人機(jī)實(shí)操，每一步都以趣味性為引導(dǎo)。教學(xué)APP的虛擬環(huán)境使同學(xué)們?cè)谟螒虻倪^(guò)程中掌握無(wú)人機(jī)的基本操作，學(xué)習(xí)編程的邏輯思維。無(wú)人機(jī)基本的飛行操作能讓同學(xué)們?cè)跊](méi)有掌握無(wú)人機(jī)操作技術(shù)的情況下快速地體會(huì)到無(wú)人機(jī)飛行的樂(lè)趣，吸引同學(xué)們對(duì)無(wú)人機(jī)飛行操控技術(shù)的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。此外，在無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行方面，無(wú)人機(jī)能夠做出的動(dòng)作多，組合花樣多，設(shè)計(jì)方案的多樣性體現(xiàn)了課程的趣味性。

3.4 實(shí)踐性及創(chuàng)新性強(qiáng)

6個(gè)小組的同學(xué)提到本門(mén)課的實(shí)踐性較強(qiáng)，充分體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。在本實(shí)驗(yàn)課中，無(wú)論是在上課環(huán)節(jié)還是考試環(huán)節(jié)，學(xué)生始終是課程的主導(dǎo)者，老師與助教只是課程的協(xié)助者。這種方式可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)獲取的主動(dòng)性。在上課環(huán)節(jié)，老師與助教講解完實(shí)驗(yàn)要求后，其他的實(shí)驗(yàn)步驟主要是由小組成員協(xié)作完成；在考試環(huán)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)課是開(kāi)放式命題，無(wú)論是單架無(wú)人機(jī)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，還是多架無(wú)人機(jī)編隊(duì)飛行，無(wú)論是無(wú)人機(jī)的飛行路線，還是無(wú)人機(jī)的飛行模式，都由各個(gè)小組獨(dú)立設(shè)計(jì)。這充分體現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)課的實(shí)踐性強(qiáng)。

3.5 評(píng)分方案合理

2個(gè)小組的同學(xué)提到了本門(mén)課的“課上表現(xiàn)＋實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示＋個(gè)人論文”的評(píng)分方案合理。課上表現(xiàn)體現(xiàn)了學(xué)生課上的積極性和參與度；實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示體現(xiàn)了小組合作的結(jié)果，對(duì)程序的理解，創(chuàng)新的水平；個(gè)人論文的部分體現(xiàn)了學(xué)生個(gè)人對(duì)無(wú)人機(jī)相關(guān)知識(shí)的理解和學(xué)習(xí)的程度。

3.6 對(duì)團(tuán)隊(duì)合作精神的培養(yǎng)

此外，小組合作設(shè)計(jì)方案并實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃和編隊(duì)飛行的過(guò)程，可以使得同學(xué)們充分討論，深度協(xié)作。小組成員之間思維火花的碰撞和融合，培養(yǎng)了組員之間的合作能力。

4 教學(xué)問(wèn)題分析

根據(jù)最終的教學(xué)效果和對(duì)學(xué)生課上表現(xiàn)的觀察，也反映出一些在教學(xué)過(guò)程中存在的問(wèn)題，總結(jié)為如下幾點(diǎn)：

4.1 教學(xué)難度難以掌握

本課程雖針對(duì)的是本科生，但在課上發(fā)現(xiàn)，本門(mén)課對(duì)于本次授課學(xué)生而言難度一般，部分學(xué)生“吃不飽”。但當(dāng)難度增加之后可能會(huì)使學(xué)生失去對(duì)課程的興趣。因此，對(duì)于課程難度的把握，如何在興趣吸引和能力培養(yǎng)之間平衡是下一步課程迭代需要思考的問(wèn)題。下一步可考慮開(kāi)發(fā)無(wú)人機(jī)攜帶的傳感器，例如相機(jī)，融入圖像處理的內(nèi)容，將路徑規(guī)劃與視頻的獲取和處理融合，在保證興趣引導(dǎo)的同時(shí)適當(dāng)增加課程難度。

4.2 小組分工不易平衡

涉及分組進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)課都需要思考的問(wèn)題是，如何在培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神的同時(shí)協(xié)調(diào)小組成員之間的分工。既保證每個(gè)同學(xué)的參與度，也降低評(píng)分過(guò)程中的主觀成分。在之后的課程中，可進(jìn)一步細(xì)化評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，在每組的實(shí)驗(yàn)報(bào)告中體現(xiàn)出每個(gè)同學(xué)的分工，以此在督促學(xué)生積極參與的同時(shí)提高評(píng)分的公平性。

4.3 理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的平衡

如何平衡實(shí)驗(yàn)課中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和理論教學(xué)部分的比例也是需要思考的問(wèn)題。本門(mén)課中關(guān)于無(wú)人機(jī)的理論知識(shí)講解較少，這也是由于課時(shí)的限制。在之后的改進(jìn)中，一方面可以增加課時(shí)，另一方面可單獨(dú)開(kāi)設(shè)一門(mén)關(guān)于無(wú)人機(jī)控制技術(shù)的理論課，再將本門(mén)實(shí)驗(yàn)課設(shè)置為理論課對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課。

5 教學(xué)成果列舉

5.1 提升本科生專(zhuān)業(yè)能力及科創(chuàng)興趣

對(duì)于本科生，通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)課，對(duì)無(wú)人機(jī)的知識(shí)有一定的了解，并熟悉Python編程的基本語(yǔ)言和邏輯。此外通過(guò)本實(shí)驗(yàn)課的影響，提高了本科生對(duì)科創(chuàng)比賽的熱情，該無(wú)人機(jī)平臺(tái)也吸引了很多沒(méi)有選這門(mén)課的低年級(jí)本科生，來(lái)申請(qǐng)參與該實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容相關(guān)的科創(chuàng)項(xiàng)目。選修本門(mén)課的同學(xué)人數(shù)為23人，在課程結(jié)束后有9名同學(xué)申報(bào)了無(wú)人機(jī)技術(shù)相關(guān)的畢業(yè)設(shè)計(jì)或科技創(chuàng)新項(xiàng)目。此外，90%以上選修本實(shí)驗(yàn)課的同學(xué)都繼續(xù)深造，這門(mén)實(shí)驗(yàn)課也讓他們?cè)谶x擇之后的研究方向時(shí)注意到了無(wú)人系統(tǒng)這一新興且有發(fā)展的領(lǐng)域，有多名同學(xué)直升讀博、保研或考研進(jìn)入北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等無(wú)人系統(tǒng)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)。

5.2 促進(jìn)研究生科技創(chuàng)新

此外，本門(mén)課的助教均為研究生，助教在帶實(shí)驗(yàn)課的過(guò)程中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題和研究方向。首先，其中一名研究生想到如何使無(wú)人機(jī)在躲避障礙物的同時(shí)追蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)物，并以此為研究?jī)?nèi)容進(jìn)行深入探究，其題為“基于仿生避障和鷹眼追蹤的無(wú)人機(jī)路徑規(guī)劃”的參賽作品獲得了第一屆中國(guó)研究生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽全國(guó)三等獎(jiǎng)以及中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽全國(guó)一等獎(jiǎng)。此外，由于四旋翼無(wú)人機(jī)是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)［18］，在飛行中對(duì)姿態(tài)的調(diào)節(jié)控制缺乏抗擾反饋機(jī)制。基于此，另一名研究生在助教的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)陣風(fēng)干擾對(duì)無(wú)人機(jī)姿態(tài)的控制影響很大，因此開(kāi)展了題為“基于ADRC迭代學(xué)習(xí)控制的四旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)控制”的研究［19］，設(shè)計(jì)ADRC抗擾控制器較好地解決了無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程受氣流影響的問(wèn)題。

5.3 專(zhuān)業(yè)宣傳

最后，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，一些同學(xué)將課上炫酷的無(wú)人機(jī)飛行視頻發(fā)布到短視頻平臺(tái)，獲得較高的關(guān)注。這也是學(xué)校招生專(zhuān)業(yè)宣傳的一個(gè)好途徑，通過(guò)學(xué)生自己發(fā)布的視頻，展現(xiàn)了學(xué)校在本科生培養(yǎng)中主動(dòng)將理論和實(shí)踐相結(jié)合，不再拘泥于抽象的課本知識(shí)。

6 結(jié) 語(yǔ)

我校工學(xué)院針對(duì)機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)本科生開(kāi)設(shè)的專(zhuān)業(yè)選修課無(wú)人機(jī)控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)合無(wú)人系統(tǒng)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和農(nóng)用無(wú)人機(jī)的廣闊應(yīng)用背景，考慮到對(duì)學(xué)生編程思維的訓(xùn)練，以興趣為引導(dǎo)，以虛實(shí)結(jié)合為原則，以循序漸進(jìn)的方式設(shè)計(jì)教學(xué)方案。本門(mén)課程專(zhuān)業(yè)相關(guān)度高，趣味性強(qiáng)，可供學(xué)生自由發(fā)揮的空間大，創(chuàng)新性和實(shí)踐性強(qiáng)，且課程安排和考核方案合理。最終本門(mén)課程起到了對(duì)本科生在科技創(chuàng)新方面的引導(dǎo)和對(duì)研究生在研究思路上的靈感激發(fā)，以及對(duì)學(xué)校招生宣傳3個(gè)方面的作用。