李德勝

摘要：文章在對(duì)國(guó)內(nèi)外大學(xué)該課程的建設(shè)方案進(jìn)行調(diào)研與結(jié)合安徽科技學(xué)院應(yīng)用型本科專業(yè)建設(shè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)課“無(wú)人機(jī)控制與影像”的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式、內(nèi)容以及方法進(jìn)行深入的研究與探討，開發(fā)出適合安徽科技學(xué)院實(shí)際的基于無(wú)人機(jī)編程項(xiàng)目的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐系統(tǒng)配置方案。該項(xiàng)目實(shí)施的目的是使學(xué)生能夠掌握飛行器的組裝、飛行控制、圖像拍攝回傳和后期處理的相關(guān)知識(shí)和技能，以期提升學(xué)生物聯(lián)網(wǎng)工程綜合實(shí)踐技能的人才培養(yǎng)目標(biāo)，并為相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)改革提供參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)；編程項(xiàng)目；物聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)配置

1.意義與背景

目前，國(guó)內(nèi)外大量院校都己開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，實(shí)踐課程往往都包括如下課程：c程序設(shè)計(jì)技能訓(xùn)練、電工與電路技能實(shí)訓(xùn)、計(jì)算機(jī)輔助電路設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)訓(xùn)練、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)原理課程設(shè)計(jì)、RFID原理與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)、ARM嵌入式系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)開發(fā)綜合實(shí)訓(xùn)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)綜合實(shí)訓(xùn)。

然而，根據(jù)對(duì)實(shí)際教學(xué)中和相關(guān)院校開設(shè)課程的調(diào)研，總結(jié)出如下幾個(gè)存在的問(wèn)題。

（1）缺乏真正體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特色的綜合性項(xiàng)目。物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)包括很多基本的知識(shí)和技能元素，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID、嵌入式系統(tǒng)課程、程序設(shè)計(jì)等。但是傳統(tǒng)的實(shí)踐課程都是單列的，沒(méi)有考慮到物聯(lián)網(wǎng)的綜合應(yīng)用性的本質(zhì)。

（2）傳統(tǒng)的編程實(shí)踐內(nèi)容無(wú)法調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣和積極性。研究表明，目前學(xué)生對(duì)大部分所學(xué)的傳統(tǒng)知識(shí)并不十分感興趣，而對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的多媒體和感知技術(shù)情有獨(dú)鐘。

本文結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)課“無(wú)人機(jī)控制與影像”的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，開發(fā)出適合學(xué)校實(shí)際的基于無(wú)人機(jī)編程項(xiàng)目的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐系統(tǒng)配置方案。

2.無(wú)人機(jī)編程項(xiàng)目實(shí)踐配置方案

基于無(wú)人機(jī)編程項(xiàng)目的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)研究的主要內(nèi)容包括：無(wú)人機(jī)飛行控制、圖像拍攝回傳和后期處理系統(tǒng)的二次開發(fā)，主要包括四軸飛行器、飛行控制子系統(tǒng)、遙控器子系統(tǒng)、地面站子系統(tǒng)、圖像回傳子系統(tǒng)、全景圖像拼接系統(tǒng)等。在前期的教學(xué)工作中，已經(jīng)進(jìn)行了無(wú)人機(jī)軟件編程項(xiàng)目教學(xué)的初步研究，并形成了獨(dú)具特色的實(shí)踐配置方案。

2.1四軸飛行器

四軸飛行器作為時(shí)下最熱門的一種飛行器，已經(jīng)越來(lái)越受到廣大科學(xué)愛(ài)好者和商業(yè)公司的關(guān)注，四軸飛行器未來(lái)的應(yīng)用前景十分廣闊。四軸飛行器的智能導(dǎo)航可以利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、人工智能技術(shù)讓四軸飛行器能像人一樣在復(fù)雜環(huán)境中活動(dòng)。

2.2飛行控制模塊

飛控子系統(tǒng)，擁有控制姿態(tài)自動(dòng)平穩(wěn)、定點(diǎn)高度懸停、空中平移、空中定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)、控制攝像機(jī)云臺(tái)控制、一鍵自動(dòng)降落、GPS導(dǎo)航等功能，可以機(jī)載高清運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)，實(shí)時(shí)拍攝飛行中的圖像。在教學(xué)中，采用Pixhawkm是一種先進(jìn)的自動(dòng)駕駛儀，它具有來(lái)自ST公司先進(jìn)的處理器和傳感器技術(shù)，ArduPilot開源飛控代碼，以及NuttX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)靈活性和可靠性控制。由于Pixhawk的所有硬件都是透明的，因此方便學(xué)生學(xué)習(xí)芯片、傳感器、總線、外設(shè)等物聯(lián)網(wǎng)硬件內(nèi)容，并且由于飛控源代碼開源，也方便學(xué)生進(jìn)行二次開發(fā)。

2.3遙控器

在教學(xué)中，使用2.4 G富斯FS-TH9X9 9通道遙控器，可刷ER9X等開源固件。學(xué)生可以通過(guò)電腦軟件進(jìn)行所有的設(shè)置，不用再看遙控器的菜單了，上位機(jī)的圖形化設(shè)置界面上極方便地完成所有的設(shè)置。所有搖桿和開關(guān)任意分配通道，還有模擬開關(guān)等強(qiáng)大的功能。

2.4開源地面站

在教學(xué)中，利用開源地面站Mission Planner，可以實(shí)現(xiàn)遙控校準(zhǔn)、加速度校準(zhǔn)和羅盤校準(zhǔn)和各類參數(shù)的設(shè)定。Mission Planner是Windows，系統(tǒng)下工作的無(wú)人機(jī)地面控制站開源軟件，其主要特點(diǎn)是通過(guò)在地圖上的鼠標(biāo)點(diǎn)擊入口來(lái)規(guī)劃，保存及加載自動(dòng)任務(wù)，下載及分析由飛控板創(chuàng)建的任務(wù)記錄。學(xué)生可以方便地利用圖形界面進(jìn)行測(cè)試、調(diào)試與二次開發(fā)，也增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.5圖像回傳系統(tǒng)

在實(shí)踐教學(xué)中，圖像回傳設(shè)備包括：7英寸雪花顯示屏；兩軸自平衡無(wú)刷云臺(tái)，可以搭載高清運(yùn)動(dòng)攝像機(jī)進(jìn)行拍攝，可以通過(guò)遙控器操作，通過(guò)云臺(tái)中的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)改變操作角度。圖像采集系統(tǒng)可以安裝攝像頭或者攝像機(jī)。其中機(jī)載高清攝像頭1個(gè)，用于實(shí)時(shí)采集飛行中的圖像，通過(guò)機(jī)載5.8 G傳輸模塊傳輸?shù)竭b控器的7寸顯示屏中。機(jī)載高清攝像機(jī)1個(gè)，用于飛行中的圖像的攝錄，飛行器起飛前開啟后，在整個(gè)飛行過(guò)程中進(jìn)行錄像操作。另外還包括航拍0SD模塊1個(gè)，它把飛行數(shù)據(jù)疊加到攝像頭的視頻上，可以直觀實(shí)時(shí)了解飛行器的飛行狀態(tài)。該模塊為雙路視頻輸入，可前后安裝兩個(gè)攝像頭，通過(guò)遙控器實(shí)時(shí)切換；支持Pixhawk等開源飛控用的mavlink串口協(xié)議；并在無(wú)攝像頭或者攝像頭出故障時(shí)，沒(méi)有視頻信號(hào)輸入會(huì)產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)用來(lái)疊加OSD信息；配合地面站Mission Planner，使得固件升級(jí)，參數(shù)設(shè)置通過(guò)USB完成。

圖1-2分別為本系統(tǒng)攝像頭和高清攝像機(jī)的回傳圖像，后期學(xué)生可以對(duì)這些回傳圖像進(jìn)行高級(jí)的圖像處理、全景拼接等操作，為后續(xù)的相關(guān)課程也提供了很好的素材。

3.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本方案指導(dǎo)下的物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的專業(yè)課“無(wú)人機(jī)控制與影像”的專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)際教學(xué)中收到了良好的教學(xué)效果?；跓o(wú)人機(jī)軟件編程項(xiàng)目培養(yǎng)了學(xué)生自己動(dòng)手解決問(wèn)題的能力。學(xué)生通過(guò)對(duì)開源無(wú)人機(jī)項(xiàng)目二次開發(fā)的程序編寫，可以讓學(xué)生對(duì)整個(gè)無(wú)人機(jī)編程的流程和方面有比較徹底的掌握，而不是僅僅會(huì)使用現(xiàn)有的工具。做到“知其然，也知其所以然”。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)訓(xùn)，能夠鞏固學(xué)生的相關(guān)專業(yè)的知識(shí)基礎(chǔ)：嵌入式知識(shí)、電子電路基礎(chǔ)、數(shù)電模電知識(shí)、通信知識(shí)、飛行控制算法（高數(shù)、線性代數(shù)）、編程語(yǔ)言與軟件開發(fā)技術(shù)（C/C++、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）、計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)、數(shù)字控制原理與應(yīng)用、數(shù)字圖像處理等，以提高學(xué)生的物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)綜合素質(zhì)。