李繼宇, 蘭玉彬, 張亞莉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院; 國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心, 廣州 510642)

0 引 言

無人機(jī)專業(yè)與教育一直以來僅僅存在于老牌軍工背景院校中，如西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等航天特色高校[1]。近年來，隨著小型無人機(jī)的應(yīng)用日益成熟，農(nóng)用無人機(jī)市場(chǎng)出現(xiàn)井噴趨勢(shì)[2]，一方面是我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力緊缺，人力成本逐年上升，對(duì)植保機(jī)械化作業(yè)需求強(qiáng)烈[3]；另一方面是農(nóng)業(yè)植保產(chǎn)業(yè)面臨產(chǎn)業(yè)更新?lián)Q代，大量低效地面機(jī)械無法滿足高效、減量噴施的作業(yè)需求[4]。綜合社會(huì)背景與行業(yè)需求，農(nóng)用無人機(jī)及相關(guān)人才已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的社會(huì)需求。我校作為培養(yǎng)專業(yè)人才的農(nóng)業(yè)類綜合性大學(xué)[6-7]，開始嘗試對(duì)無人機(jī)專業(yè)人才培養(yǎng)的探索[8-9]。

1 農(nóng)業(yè)航空科研應(yīng)用方向驅(qū)動(dòng)“協(xié)會(huì)”誕生

2011年起，我校即將農(nóng)業(yè)航空關(guān)鍵技術(shù)研究作為學(xué)校農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的重要研究方向，并積極從美國(guó)農(nóng)業(yè)部引進(jìn)國(guó)家“千人計(jì)劃”專家蘭玉彬教授，推動(dòng)了包括無人機(jī)在內(nèi)的農(nóng)業(yè)航空研究新熱點(diǎn)迅速升溫。高等院校的科學(xué)研究離不開學(xué)生的有效參與[13]，特別是顯著區(qū)別于傳統(tǒng)地面類機(jī)械的無人機(jī)方向的研究，為了保障空中植保機(jī)械能夠順利飛行試驗(yàn)，亟須一批能夠熟練掌握遙控?zé)o人機(jī)技能的本科生積極參與科學(xué)試驗(yàn)[5]。

廣東是我國(guó)航空事業(yè)發(fā)源地之一，僅廣州市的天河地區(qū)，就存在我國(guó)最早的機(jī)場(chǎng)、最早的飛行表演、最早開通國(guó)際航線的機(jī)場(chǎng)等。其歷史上曾先后建有5個(gè)機(jī)場(chǎng)：燕塘、天河、石牌、黃村、岑村機(jī)場(chǎng)[15]。盡管缺乏傳統(tǒng)航空航天專業(yè)院校，但廣州地區(qū)的民間航模運(yùn)動(dòng)更是經(jīng)久不衰，1953年廣州市舉辦過首屆航空模型輔導(dǎo)員訓(xùn)練班，60年來每年參加航模人數(shù)超過十萬人以上[16]，更有相當(dāng)數(shù)量的在校大學(xué)生熱衷于航模運(yùn)動(dòng)。2012年5月，“工程學(xué)院航模隊(duì)”(校無人機(jī)協(xié)會(huì)前身)在上述背景中應(yīng)運(yùn)而生，除筆者受過專業(yè)操控訓(xùn)練之外，首批會(huì)員僅有4人，均為有一定飛行基礎(chǔ)的航模愛好本科生。成立初期的物質(zhì)條件非常有限。

“航模隊(duì)”的成立拉動(dòng)了隊(duì)員的積極性，展開了招新、培訓(xùn)、交流等活動(dòng)。隨即于2013年9月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)注冊(cè)成立了“華南農(nóng)業(yè)大學(xué)航模協(xié)會(huì)”，制訂了協(xié)會(huì)章程，面向全校招收會(huì)員，并選舉出了協(xié)會(huì)的管理層，逐步展開了學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)制作、操控航模等活動(dòng)。

期間協(xié)會(huì)的運(yùn)行費(fèi)用主要來自于從事農(nóng)業(yè)航空研究方向科研經(jīng)費(fèi)與學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)經(jīng)費(fèi)的資助，逐步添置了激光雕刻機(jī)、小型機(jī)床、3D打印機(jī)等高端設(shè)備。協(xié)會(huì)培養(yǎng)的無人機(jī)駕駛員也于2013年在海南三亞、湖南岳陽等地的無人機(jī)風(fēng)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)中提供了單旋翼、多旋翼無人機(jī)飛行服務(wù)，反哺科研試驗(yàn)，如圖1所示，同時(shí)也讓更多的同學(xué)走到田間地頭深入了解到試驗(yàn)的具體實(shí)施過程，提高了進(jìn)一步科學(xué)研究的興趣，達(dá)到了協(xié)會(huì)創(chuàng)辦的初衷。2016年協(xié)會(huì)正式更名為“華南農(nóng)業(yè)大學(xué)無人機(jī)協(xié)會(huì)”，伴隨著越來越多具有飛行才華的全校各專業(yè)學(xué)生的加入，協(xié)會(huì)規(guī)模穩(wěn)步擴(kuò)大。

圖1 協(xié)會(huì)會(huì)員為無人機(jī)試驗(yàn)提供服務(wù)

2 公共選修課“小型飛行器基礎(chǔ)”推動(dòng)協(xié)會(huì)發(fā)展壯大

教學(xué)是普通高等院校的主要任務(wù)[10]。我校為擴(kuò)展本科生的學(xué)習(xí)視野，始終堅(jiān)持面向全校本科生公共選修課的建設(shè)與開設(shè)[14]。筆者作為協(xié)會(huì)的指導(dǎo)教師，于2011年～2012年期間接受過無人機(jī)操控與理論的專業(yè)培訓(xùn)。在長(zhǎng)期關(guān)注航模運(yùn)動(dòng)與無人機(jī)發(fā)展的興趣愛好基礎(chǔ)上，于2013年春季始嘗試開設(shè)了公共選修課——“小型飛行器基礎(chǔ)”，32學(xué)時(shí)，第一次開設(shè)即有95人選修，課程的名稱與內(nèi)容引起了不同專業(yè)學(xué)生的極大興趣，隨后每學(xué)期的學(xué)生選課人數(shù)均保持在滿員狀態(tài)。該課程主要內(nèi)容如表1所示。

表1 “小型飛行器基礎(chǔ)”教學(xué)大綱

隨著該課程教學(xué)經(jīng)驗(yàn)逐年積累，課程內(nèi)容也隨之慢慢有所調(diào)整。

(1) 增加了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)[11]。結(jié)合課程的固定翼和旋翼式飛行器教學(xué)內(nèi)容，特別安排了室內(nèi)的模擬器訓(xùn)練和室外的無人機(jī)飛行演示課程。不少選修課程的同學(xué)對(duì)該實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)大呼過癮，常常到了下課時(shí)間仍然依依不舍。在實(shí)踐課程中發(fā)現(xiàn)了幾名具有一定操控天賦的學(xué)生，并成功吸收加入?yún)f(xié)會(huì)。

(2) 建立了具有激勵(lì)機(jī)制的考核方式。學(xué)生是以獨(dú)立制作的一架小型飛行器或是錄制一段自己操控飛行器飛行的視頻作為成績(jī)?cè)u(píng)定的依據(jù)。以此激勵(lì)更多同學(xué)投入到實(shí)踐動(dòng)手過程中去。在幾年的教學(xué)過程中，遇見了不少好的作品，如圖2所示。其中圖2(a)是2014級(jí)園藝學(xué)院王力同學(xué)的作品，該飛機(jī)造型奇特，雖然不是很符合空氣動(dòng)力學(xué)原理，但結(jié)構(gòu)齊備，動(dòng)力得當(dāng)，能夠成功飛行；圖2(b)則是2014級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)朱正麟同學(xué)結(jié)合本專業(yè)知識(shí)精心設(shè)計(jì)的飛機(jī)模型設(shè)計(jì)，主題是建筑輔助四旋翼，具有一定的應(yīng)用價(jià)值；圖2(c)為2012級(jí)工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)吳應(yīng)金同學(xué)的作品，在構(gòu)造鋁合金機(jī)架的基礎(chǔ)上，自己編寫了開源飛行控制系統(tǒng)代碼，成功完成四旋翼飛行器的飛行；而圖2(d)是2012級(jí)工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)麥啟慶同學(xué)的杰作，他結(jié)合自學(xué)的編碼知識(shí)，對(duì)飛行器遙控器重新定義了頻率與特性，自主開發(fā)了一套簡(jiǎn)易遙控器裝置。

(a) 甲殼蟲

(b) 工業(yè)設(shè)計(jì)

(c) 四旋翼

(d) 遙控器

(3) 緊密與農(nóng)用無人機(jī)應(yīng)用實(shí)踐相結(jié)合。筆者憑借在農(nóng)業(yè)航空無人機(jī)領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)與廣泛交流的經(jīng)驗(yàn)，將近幾年風(fēng)起云涌的農(nóng)用無人機(jī)市場(chǎng)上出類拔萃的代表技術(shù)與產(chǎn)品介紹給學(xué)生，如深圳大疆創(chuàng)新公司及其推出的MG-1農(nóng)用噴灑無人機(jī)和廣州極飛科技有限公司及其推出的P20型農(nóng)用植保無人機(jī)憑借優(yōu)良的宣傳視頻都深深吸引了選課學(xué)生的關(guān)注。及時(shí)分享農(nóng)用無人機(jī)的最新試驗(yàn)過程與進(jìn)展，如使用價(jià)值千元左右的氦氣球攜帶價(jià)值10萬元的高光譜設(shè)備差點(diǎn)高空逃逸的有趣試驗(yàn)事例總是能引起哄堂大笑。還認(rèn)真地與選課學(xué)生一起探討當(dāng)下農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域發(fā)生的熱點(diǎn)新聞，比如2016年8月在陜西省渭南地區(qū)30萬畝玉米粘蟲大爆發(fā)，筆者參加了緊急馳援，親歷事件經(jīng)過，課堂上不少學(xué)生討論了無人機(jī)在該事件中的作用與意義，提出了深刻的見解。

總之，嘗試在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)以公選課形式開設(shè)出無人機(jī)基礎(chǔ)課程，以培養(yǎng)在校生學(xué)習(xí)航空知識(shí)興趣為目的[17]，以培訓(xùn)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)無人機(jī)協(xié)會(huì)基礎(chǔ)理論為形式，突出飛行實(shí)踐教學(xué)，突出考核動(dòng)手能力，突出結(jié)合科研應(yīng)用，寓教于樂，每年300人次的選修學(xué)生數(shù)量為協(xié)會(huì)的發(fā)展壯大提供了生源，也為科研類全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽(CADC)及其他無人機(jī)比賽儲(chǔ)備了人才。

3 參加國(guó)家級(jí)無人機(jī)競(jìng)賽，提升協(xié)會(huì)運(yùn)行品質(zhì)

協(xié)會(huì)有了良好基礎(chǔ)與人才儲(chǔ)備后，如何提質(zhì)增效、打造出具有航空特色內(nèi)涵的新型學(xué)生社團(tuán)是下一步需要解決的問題[18]。參加行業(yè)內(nèi)的高水平競(jìng)賽一直以來都是凝聚協(xié)會(huì)主題，促進(jìn)會(huì)員動(dòng)力，提升社團(tuán)品質(zhì)的好方法。中國(guó)國(guó)際飛行器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽暨科研類全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽(CADC)逐步進(jìn)入到會(huì)員們的視線中。

中國(guó)國(guó)際飛行器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽暨科研類全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽由國(guó)家體育總局、教育部、科學(xué)技術(shù)部主辦，自2004年以來已經(jīng)舉辦了十屆，以北航、南航、哈工大為代表的傳統(tǒng)航空航天類院校(含解放軍部隊(duì)院校)全部參賽，賽事規(guī)模不斷擴(kuò)大、科技含量逐年提升，競(jìng)賽內(nèi)容豐富、多樣。2015年該賽事共吸引了全國(guó)“985”“211”等89所高校，1 600人參賽，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)無人機(jī)協(xié)會(huì)也首次派出代表參加了比賽，其標(biāo)志著廣東省公立高校對(duì)該賽事的首次參賽。比賽中，參賽隊(duì)員敢打敢拼，雖然首次參賽，經(jīng)驗(yàn)不足，但依靠著我校農(nóng)業(yè)航空科研方向一直以來的科研積累，在工程學(xué)院“千人計(jì)劃”蘭玉彬教授的指導(dǎo)下，隊(duì)員親手制作的參賽無人機(jī)已經(jīng)具備了良好的科研創(chuàng)意和專業(yè)水準(zhǔn)。在5人參加3個(gè)項(xiàng)目的高效率下，我校奪得“垂直起降載重”項(xiàng)目全國(guó)二等獎(jiǎng)，喜獲“科技創(chuàng)新評(píng)比”項(xiàng)目全國(guó)三等獎(jiǎng)。作為首次參賽代表隊(duì)，作品創(chuàng)意和比賽質(zhì)量均引起國(guó)內(nèi)其他院校的嘖嘖稱奇。同時(shí)，其他高校的優(yōu)秀作品也給了我們啟發(fā)與幫助。

2015年的成功參賽結(jié)果極大地鼓舞了會(huì)員的積極性，提升了他們的自信心。2016年暑期，許多隊(duì)員自發(fā)留校備戰(zhàn)2016年CADC大賽。按照比賽項(xiàng)目分成小組，從飛機(jī)的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、縮比驗(yàn)證、零件采購、結(jié)構(gòu)安裝、電子器件調(diào)試、試飛試驗(yàn)到按照規(guī)則進(jìn)行模擬比賽，所有隊(duì)員一絲不茍，認(rèn)真?zhèn)滟?。相比?015年僅報(bào)名參加2個(gè)項(xiàng)目，2016年10月在江蘇鎮(zhèn)江舉辦的CADC競(jìng)賽報(bào)名項(xiàng)目躍升到6個(gè)，極大擴(kuò)展了協(xié)會(huì)的研究范疇與運(yùn)行品質(zhì)。2015～2016年協(xié)會(huì)共參加了四項(xiàng)CADC大賽，獲一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

從參賽到舉辦，2016年11月，由中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)主辦，我校承辦的2016首屆全國(guó)大學(xué)生無人機(jī)創(chuàng)新大賽在美麗的花城廣州市黃埔體育中心舉行，我校無人機(jī)協(xié)會(huì)負(fù)擔(dān)了裁判、賽制、場(chǎng)地、保障等工作。同時(shí)協(xié)會(huì)派出三組機(jī)組參加無人機(jī)障礙競(jìng)技賽，獲得優(yōu)異成績(jī)。此外，筆者還代表“協(xié)會(huì)”參與了2016年5月第八屆安陽航空運(yùn)動(dòng)文化旅游節(jié)無人機(jī)大賽、2016年8月包頭愛飛客飛行那達(dá)慕無人機(jī)應(yīng)用大賽、2016年10月中國(guó)無人機(jī)與機(jī)器人應(yīng)用大賽等組織與裁判工作。通過各種賽事的鍛煉與積累，“協(xié)會(huì)”的無人機(jī)品質(zhì)逐步提升，“協(xié)會(huì)”的學(xué)生水平不斷攀升，“協(xié)會(huì)”的品牌影響力不斷擴(kuò)大。

4 “協(xié)會(huì)”成果促進(jìn)科研、融入教學(xué)、擴(kuò)大學(xué)校影響力

隨著“協(xié)會(huì)”的日益強(qiáng)壯，同學(xué)們?cè)谥谱?、?yàn)證各類無人機(jī)時(shí)不時(shí)與筆者碰撞出最新農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域的火花。特別是在農(nóng)用無人機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、負(fù)載類型、機(jī)載裝置、旋翼風(fēng)場(chǎng)、檢測(cè)方法、作業(yè)方式、控制系統(tǒng)與地面站軟件方面均取得了相應(yīng)的科研成果，制作的飛行器代表作品如圖3所示，公開、授權(quán)的專利共16項(xiàng)。這些成果體現(xiàn)出大學(xué)生活躍的思想與敏捷的思維，也間接提升了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)用無人機(jī)的研究水平。基于這些成果，筆者在近年申請(qǐng)到了廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目科普項(xiàng)目“小型農(nóng)用無人機(jī)室內(nèi)展示系統(tǒng)”(2016A070712015)等多個(gè)省部級(jí)項(xiàng)目，也發(fā)表了SCI、EI收錄科研論文10余篇。

長(zhǎng)航時(shí)太陽能農(nóng)情遙感無人機(jī)固定翼水稻冠層起落架

垂直起降植株抓取機(jī)械臂可折疊三軸田間傳感器平臺(tái)

圖3 飛行器代表作品

除了科研外，協(xié)會(huì)的會(huì)員們積極響應(yīng)學(xué)校教學(xué)改革與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，2014年起憑借著扎實(shí)的航空基礎(chǔ)與新穎的研究思路，屢屢斬獲大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)國(guó)家級(jí)、省級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)，校級(jí)5項(xiàng)，2017年協(xié)會(huì)組織申報(bào)了6項(xiàng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目全部獲批，且有5項(xiàng)已經(jīng)確定被推薦為省級(jí)、國(guó)家級(jí)項(xiàng)目，即將參加學(xué)校二次答辯。為積極將協(xié)會(huì)工作與學(xué)校的教學(xué)進(jìn)行深度融合[13]，筆者在2016年申請(qǐng)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)專業(yè)設(shè)置與培育”(2016047)并成功立項(xiàng)，擬通過整合校內(nèi)農(nóng)業(yè)工程專業(yè)學(xué)科和學(xué)科優(yōu)勢(shì)，通過農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)方向的建設(shè)，切實(shí)增加學(xué)校農(nóng)業(yè)工程學(xué)科的綜合實(shí)力。

隨著協(xié)會(huì)的名聲鵲起，許多社會(huì)組織紛紛伸來橄欖枝。例如，2015年12月廣州市航空模型運(yùn)動(dòng)協(xié)會(huì)與我校協(xié)會(huì)簽訂了合作協(xié)議，擬從多方面開展合作，2017年廣州市高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育項(xiàng)目“廣州大學(xué)生無人機(jī)創(chuàng)新大賽”由二者共同舉辦。又如，2016年5月廣州市科技文化周由黃埔區(qū)科信局舉辦了“藍(lán)天筑夢(mèng)人工智能及無人機(jī)飛行表演”活動(dòng)，協(xié)會(huì)隊(duì)員受邀參加，并展示了最新制作的翼展達(dá)4 500 mm的大型固定翼。再如，同年5月，由廣州市科技創(chuàng)新委員會(huì)、廣州無人機(jī)產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟、廣州市航空模型運(yùn)動(dòng)交流協(xié)會(huì)共同主辦的首屆廣州低空無人機(jī)大賽在廣州大學(xué)城中山大學(xué)舉行，比賽分為表演賽和專業(yè)賽，其中3個(gè)專業(yè)賽項(xiàng)目之一的“保駕護(hù)航”項(xiàng)目就是為“農(nóng)用植保無人機(jī)”專門設(shè)立的，協(xié)會(huì)受邀負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的設(shè)置、規(guī)則、賽制、裁判與評(píng)判工作，筆者賽后代表華南農(nóng)業(yè)大學(xué)領(lǐng)取了大賽最佳服務(wù)獎(jiǎng)。協(xié)會(huì)與外界展開交流并積極參與活動(dòng)與比賽，有力擴(kuò)大了我校的影響力。

5 結(jié)論與展望

2012年以來，我校無人機(jī)協(xié)會(huì)從無到有。依托農(nóng)業(yè)航空科研方向、開設(shè)飛行器公選課程、參加高水平無人機(jī)競(jìng)賽，協(xié)會(huì)從最初的4人會(huì)員到現(xiàn)在300多人，從白手起家到現(xiàn)在擁有激光雕刻機(jī)、3D打印機(jī)等高端設(shè)備，從無法操控飛行器到現(xiàn)在能提供不同機(jī)型的飛行服務(wù)，從航空類競(jìng)賽的旁觀者到屢獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，這些變化過程充分說明了我校基于“無人機(jī)協(xié)會(huì)”的培養(yǎng)模式取得了初步成效，已具備開設(shè)“農(nóng)業(yè)航空”相關(guān)專業(yè)的初步條件。

未來協(xié)會(huì)將與校新獲批的“國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國(guó)際聯(lián)合研究中心”深入融合，成為該“中心”的下屬“創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室”，繼續(xù)深入研究農(nóng)業(yè)航空；另外聯(lián)合相關(guān)教師再開設(shè)出多門農(nóng)業(yè)航空專業(yè)教學(xué)課程，詳細(xì)設(shè)置課程屬性與授課方式；最后計(jì)劃打造出成熟的無人機(jī)競(jìng)賽賽事，特別是對(duì)農(nóng)用無人機(jī)賽制，賽項(xiàng)做進(jìn)一步的完善，以賽促練，為“農(nóng)業(yè)航空”相關(guān)專業(yè)培養(yǎng)后備人才貢獻(xiàn)力量，盡早滿足設(shè)立“農(nóng)業(yè)航空”相關(guān)專業(yè)的成熟條件。