宋浩然,何召蘭,尚雷,陳銳,段立勇
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基于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目的自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式研究
宋浩然,何召蘭,尚雷,陳銳,段立勇
(哈爾濱理工大學(xué) 測(cè)控技術(shù)與通信工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)
以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目為載體,基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)法探索大學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式的建立.通過(guò)申請(qǐng)感興趣的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目,促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成.在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下,學(xué)生自主選擇設(shè)計(jì)方案和所需器件,完成了四旋翼飛行器的組裝、控制和飛行.實(shí)踐表明,以創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)可以有效促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)習(xí)慣的養(yǎng)成,激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,并提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.
自主學(xué)習(xí);四軸飛行器;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)
高校是培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要基地,高等教育的基本目標(biāo)之一是對(duì)大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)技能的培養(yǎng)[1].推進(jìn)自主學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)方式,對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力具有重要意義[2-3].自主學(xué)習(xí)模式需要在尊重教育主體的基礎(chǔ)上建立良好的外部環(huán)境及監(jiān)督體制,才能使高校學(xué)生逐步培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力[4].基于自主式項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的教學(xué)改革近年來(lái)也取得了許多成果[5-6].近年來(lái)高校實(shí)施大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃,旨在促進(jìn)高等學(xué)校轉(zhuǎn)變教育思想觀(guān)念,改革人才培養(yǎng)模式,強(qiáng)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力訓(xùn)練,增強(qiáng)高校學(xué)生的創(chuàng)新能力和在創(chuàng)新基礎(chǔ)上的創(chuàng)業(yè)能力,培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才.本項(xiàng)目組在教師指導(dǎo)下申請(qǐng)到一項(xiàng)省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目——基于STM32的應(yīng)急先鋒四軸飛行器設(shè)計(jì),既強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力的訓(xùn)練,同時(shí)又有助于理工類(lèi)大學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建及保障機(jī)制的研究,促進(jìn)教師教育思想觀(guān)念的轉(zhuǎn)變進(jìn)而促進(jìn)本科生教學(xué)質(zhì)量的提高.
為了能夠很好地實(shí)施創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃,建立良好的保障機(jī)制,鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí),學(xué)校從培養(yǎng)方案的制定,課程大綱的編寫(xiě)以及教學(xué)方法的改革等方面開(kāi)展工作,把創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目融入本科生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力培養(yǎng)體系.為了使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中既能掌握理論知識(shí),又能具備較強(qiáng)的實(shí)踐技能,除了在課程大綱的編寫(xiě),各教學(xué)環(huán)節(jié)的銜接,教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改進(jìn)等方面進(jìn)行探索改革之外,還積極組織學(xué)生參與開(kāi)放實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目以及各種電子信息類(lèi)競(jìng)賽.將實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開(kāi)放,為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境,引導(dǎo)為主指導(dǎo)為輔,逐步培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)習(xí)慣和創(chuàng)新能力.因此,電子實(shí)驗(yàn)室成為本項(xiàng)目組成員基于該創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的良好場(chǎng)所.
近年來(lái),得益于微機(jī)電控制技術(shù)的發(fā)展,穩(wěn)定的四軸飛行器得到了廣泛關(guān)注[7-8],應(yīng)用前景十分可觀(guān).相比于傳統(tǒng)單旋翼飛行器,四軸飛行器可以自由地實(shí)現(xiàn)懸停和空間中的自由移動(dòng),具有很大的靈活性.因?yàn)樗妮S飛行器體積小、重量輕,攜帶方便,能輕易進(jìn)入人不易進(jìn)入的各種惡劣環(huán)境,常用來(lái)執(zhí)行航拍電影取景、實(shí)時(shí)監(jiān)控、地形勘探等飛行任務(wù),新的應(yīng)用也在不斷的拓展之中.另外,四軸飛行器的技術(shù)研究涉及眾多領(lǐng)域,如自動(dòng)控制、空氣動(dòng)力學(xué)、傳感技術(shù)和電子技術(shù)等,是大學(xué)生對(duì)學(xué)科專(zhuān)業(yè)綜合應(yīng)用的一個(gè)很好平臺(tái).來(lái)到電子實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生也在傳承著對(duì)四軸飛行器的研究和開(kāi)發(fā),對(duì)四軸飛行器的控制越來(lái)越穩(wěn)定,也在不斷地增進(jìn)其功能.學(xué)生圍繞四軸飛行器申請(qǐng)項(xiàng)目,參加電子設(shè)計(jì)大賽,形成了良好的自主學(xué)習(xí)氛圍.
2.1 項(xiàng)目成員的選拔
省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目從立項(xiàng)至結(jié)題為期2年時(shí)間,因此需要在大一或大二學(xué)生中選拔.學(xué)生是否有參與創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目的積極性,是否有能力完成,是否有合作精神等因素決定了項(xiàng)目的立項(xiàng)、實(shí)施及完成的質(zhì)量.考慮到學(xué)生的基礎(chǔ),將選拔對(duì)象重點(diǎn)放在大二學(xué)生中,適量的大一學(xué)生.近年來(lái),教研組的大多教師一直致力于本科生創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的研究,每年都指導(dǎo)本科生參加電子設(shè)計(jì)大賽、智能車(chē)競(jìng)賽等賽事,指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)放實(shí)驗(yàn)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn),取得了很好的成績(jī).實(shí)驗(yàn)室常年對(duì)學(xué)生開(kāi)放,有不同年級(jí)的學(xué)生參與其中,已經(jīng)形成良好的學(xué)習(xí)氛圍,建立了良好的傳幫帶體系.
為了吸引更多的學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與創(chuàng)新項(xiàng)目、電子設(shè)計(jì)大賽等,讓學(xué)生事先對(duì)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目等有個(gè)初步的了解和認(rèn)識(shí).主要通過(guò)2個(gè)途徑實(shí)施,一是教師利用課余時(shí)間對(duì)任課班級(jí)的學(xué)生進(jìn)行宣傳講解,鼓勵(lì)有興趣的學(xué)生積極參與;二是實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生向?qū)W弟學(xué)妹們講解宣傳.初來(lái)實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生基礎(chǔ)有差異、目的不同,實(shí)驗(yàn)室資源有限,因此要對(duì)前來(lái)報(bào)名的學(xué)生進(jìn)行初步考核,關(guān)鍵是考察學(xué)生是否能持之以恒積極參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)、電子設(shè)計(jì)大賽等賽事.對(duì)初步進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生繼續(xù)考察1個(gè)學(xué)期,那些沒(méi)有絲毫進(jìn)步,很少在實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)或經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室上網(wǎng)玩游戲的學(xué)生將被淘汰,將有限的實(shí)驗(yàn)室資源留給更樂(lè)于動(dòng)手創(chuàng)新的學(xué)生使用.經(jīng)過(guò)1個(gè)學(xué)期的培訓(xùn)和鍛煉,學(xué)生根據(jù)興趣自由組合分組,指導(dǎo)教師為學(xué)生制定計(jì)劃,申請(qǐng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練等項(xiàng)目,并參加電子設(shè)計(jì)大賽或智能車(chē)大賽等.
2.2 項(xiàng)目實(shí)施方案
制定基于STM32的應(yīng)急先鋒飛行器設(shè)計(jì)項(xiàng)目的實(shí)施方案.多功能四軸飛行器系統(tǒng)主要由飛行控制子系統(tǒng)和應(yīng)急環(huán)境采集子系統(tǒng)組成.飛行控制部分采用四元數(shù)算法對(duì)MEMS傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算,采用PID算法設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制律,實(shí)現(xiàn)飛行器穩(wěn)定的飛行姿態(tài)控制.應(yīng)急環(huán)境采集子系統(tǒng)即采集災(zāi)難環(huán)境中的一系列信息,然后以無(wú)線(xiàn)的方式傳輸?shù)揭曈X(jué)計(jì)算機(jī),由機(jī)載攝像頭及相關(guān)傳感器組成.整體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1.
2.2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 飛行控制器是系統(tǒng)的核心部分,所設(shè)計(jì)的控制器要能夠通過(guò)采集處理MEMS傳感器數(shù)據(jù)解算姿態(tài),并根據(jù)導(dǎo)航指令和任務(wù)要求,結(jié)合相應(yīng)的控制律給出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào),控制飛行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu),改變飛行器的姿態(tài)和位置等.控制器主控芯片采用ST公司生產(chǎn)的基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32處理器,它具有低功耗、高性能及接口豐富等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力,這使得在飛控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜濾波算法成為可能.主控芯片主要負(fù)責(zé)采集傳感器檢測(cè)到的三軸角速率、三軸加速度和三軸磁力,通過(guò)四元數(shù)算法解算姿態(tài)角,按所設(shè)計(jì)的控制規(guī)律計(jì)算輸出到各電機(jī)的PWM波型,驅(qū)動(dòng)四軸飛行器協(xié)調(diào)工作,保證四軸飛行器穩(wěn)定的飛行姿態(tài).
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
微慣性測(cè)量單元采用全球首例整合性六軸運(yùn)動(dòng)處理組件MPU60-50,它整合了三軸加速度和三軸陀螺儀,通過(guò)串行總線(xiàn)IIC進(jìn)行數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)和傳感器初始化配置控制,傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)四元數(shù)算法可得姿態(tài)角.此外,還可通過(guò)慣性導(dǎo)航算法得到飛行器的慣導(dǎo)位置,將慣導(dǎo)位置與視覺(jué)位置融合可估算最優(yōu)位置,從而提高導(dǎo)航的精度.導(dǎo)航信息通過(guò)UART和主控芯片通信,保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,用霍尼韋爾公司的三軸數(shù)字式羅盤(pán)HMC5883L為飛行器提供準(zhǔn)確的航向信息.
圖像采集模塊采用COMS208無(wú)線(xiàn)攝像頭,改變攝像頭芯片內(nèi)自帶的壓縮算法,使所得圖片數(shù)據(jù)量變小,便于數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸.?dāng)?shù)據(jù)傳輸采用FM調(diào)制,之后接收端經(jīng)過(guò)解調(diào)后將圖片解壓,得到的圖像由視頻采集卡傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上.搭載攝像頭部分為舵機(jī)控制的二自由度云臺(tái),可通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控來(lái)改變拍攝角度從而獲取全方位的視頻信息.
氣體采集選用了MQ135、MQ-7和MQ-4氣體傳感器.MQ135氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫.當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時(shí),傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體濃度的增加而增大.使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào).MQ135傳感器對(duì)氨氣、硫化物和苯系蒸汽的靈敏度高,對(duì)煙霧和其它有害的監(jiān)測(cè)也很理想.主要芯片為L(zhǎng)M393和ZYMQ-135.工作電壓為直流5 V,具有模擬量輸出及TTL電平輸出,具有快速的響應(yīng)恢復(fù)、長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性氣體敏感元件.MQ-7氣體傳感器對(duì)一氧化碳的靈敏度高,這種傳感器可檢測(cè)多種含一氧化碳的氣體,主要芯片為L(zhǎng)M393和ZYMQ-7氣體傳感器,工作電壓為直流5 V.具有雙路信號(hào)輸出(模擬量輸出及TTL電平輸出).MQ-4氣體傳感器對(duì)甲烷的靈敏度高,對(duì)丙烷、丁烷也有較好的靈敏度.這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體,特別是天然氣,主要芯片為L(zhǎng)M393和ZYMQ-4氣體傳感器,工作電壓為直流5 V.具有雙路信號(hào)輸出(模擬量輸出及TTL電平輸出).
溫濕度采集選用了DHT10溫度濕度二合一傳感器,DHTXX系列單芯片傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器.它應(yīng)用專(zhuān)利的工業(yè)COMS過(guò)程微加工技術(shù),確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性.傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件,并與一個(gè)14 位的A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接.因此,選用該產(chǎn)品可確保系統(tǒng)對(duì)溫濕度響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).
報(bào)警功能所需的熱釋電傳感器感應(yīng)模塊通電后有1 min左右的初始化時(shí)間,在此期間模塊會(huì)間隔地輸出0~3次,1 min后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài).感應(yīng)模塊采用雙元探頭,探頭的窗口為長(zhǎng)方形,雙元(A元B元)位于較長(zhǎng)方向的兩端.當(dāng)人體從左到右或從右到左走過(guò)時(shí),紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值,差值越大,感應(yīng)越靈敏;當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過(guò)時(shí),雙元檢測(cè)不到紅外光譜距離的變化,無(wú)差值,感應(yīng)不靈敏或不工作.因此,安裝感應(yīng)器時(shí)應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動(dòng)最多的方向盡量相平行,保證人體經(jīng)過(guò)時(shí)先后被探頭雙元所感應(yīng).為了增加感應(yīng)角度范圍,本模塊采用圓形透鏡,也使得探頭四面都感應(yīng),但左右兩側(cè)仍然比上下方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強(qiáng).
2.2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 飛行控制算法是四軸飛行器控制中的關(guān)鍵技術(shù).目前研究多集中在非線(xiàn)性控制領(lǐng)域,由于非線(xiàn)性控制對(duì)模型準(zhǔn)確性有較強(qiáng)的依賴(lài),在模型誤差存在的條件下,PID控制更加實(shí)用.因此,為了得到四軸飛行器的PID控制器,需要建立飛行器的數(shù)學(xué)模型,從而用算法程序進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)解算.為了采集飛行器3個(gè)方向的角速率,本項(xiàng)目采用三軸陀螺儀,從而控制器可通過(guò)對(duì)陀螺儀輸出的角加速度進(jìn)行積分計(jì)算獲得飛行時(shí)需要偏離的角度.由于陀螺儀的使用會(huì)出現(xiàn)溫度漂移現(xiàn)象,在做完一次相反方向的旋轉(zhuǎn)后,陀螺儀的積分并不為零,存在偏差,如果不加以校正便會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題.因此,必須用加速計(jì)測(cè)得數(shù)據(jù),然后對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)加以修正補(bǔ)償.在此基礎(chǔ)上,融入卡爾曼濾波的方法.通過(guò)陀螺儀、加速度計(jì)采集數(shù)據(jù)經(jīng)濾波算法除噪擬合后,計(jì)算出飛行姿態(tài)角即歐拉角(見(jiàn)圖1).最后通過(guò)軟件仿真和實(shí)物調(diào)試確定PID控制器的各個(gè)參數(shù)完成四軸飛行器部分的設(shè)計(jì).
具體項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng),對(duì)于有主動(dòng)學(xué)習(xí)愿望的學(xué)生是一種動(dòng)力,對(duì)于較被動(dòng)的學(xué)生是一種壓力.為了完成項(xiàng)目規(guī)定的任務(wù)和目標(biāo)都會(huì)積極努力地學(xué)習(xí)和探究,成員自主分工合作,充分發(fā)揮個(gè)人優(yōu)勢(shì).擅長(zhǎng)硬件電路的成員重點(diǎn)學(xué)習(xí)單片機(jī)知識(shí)、傳感器知識(shí)以及電源等,偏愛(ài)軟件編程的重點(diǎn)學(xué)習(xí)控制算法和C語(yǔ)言.通過(guò)一段時(shí)間的學(xué)習(xí)自主選擇確定項(xiàng)目實(shí)施方案,選購(gòu)各模塊所需器件進(jìn)行安裝調(diào)試.通過(guò)該項(xiàng)目的實(shí)施,項(xiàng)目組成員學(xué)會(huì)了團(tuán)結(jié)合作,鞏固了理論基礎(chǔ)知識(shí),提高了實(shí)踐技能.承擔(dān)并完成一個(gè)項(xiàng)目不再是遙不可及,為學(xué)生后續(xù)課程的學(xué)習(xí)及將來(lái)走上工作崗位打下良好的基礎(chǔ).項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)是學(xué)生自主學(xué)習(xí)的良好平臺(tái),為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)氛圍.
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The study of undergraduate independent innovation learning model based oninnovation entrepreneurship training program
SONG Hao-ran,HE Zhao-lan,SHANG Lei,CHEN Rui,DUAN Li-yong
(School of Measurement and Communication Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)
Based on the college students' innovative entrepreneurial training program,the establishment of the college students' independent innovation learning mode was studied.Students are encouraged to apply for a innovative entrepreneurial training program which can motivate their learning initiative.Under the drive of innovative entrepreneurial training program,students chose designing scheme,selected the required device,confirmed the control strategy all by themselves.The practice shows that with the creative entrepreneurial projects as the carrier,the autonomous learning habits and learning ability of students can be effectively promoted.
independent;innovation learning;four axis aircraft;innovative undertaking
1007-9831(2016)10-0074-04
TP21∶G642.0
A
10.3969/j.issn.1007-9831.2016.10.022
2016-07-25
黑龍江省教育科學(xué)規(guī)劃辦重點(diǎn)課題(GBB1212033);黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201510214038)
宋浩然(1995-),男,黑龍江北安人,本科生.E-mail:wbabc_007@163.com
何召蘭(1969-),女,黑龍江穆棱人,教授,博士,從事電子技術(shù)基礎(chǔ)、控制理論與應(yīng)用研究.E-mail:hezhaolan@sina.com