劉靖宇 滕云萍 李鵬 沈曄

摘要：無人機在各行各業(yè)的應用中，有其不可替代的優(yōu)勢，而在電子設計教學實驗中，學生缺乏對無人機的測控實踐和應用。所以該教學改革旨在利用無人機實驗平臺，加強學生對自動控制、嵌入式開發(fā)、傳感器應用等課程知識的踐與應用。

關鍵詞：無人機測控；實驗教學；電子設計實驗

無人機具有機動、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢，已經(jīng)成為世界各國爭相研究的熱點課題，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事等行業(yè)，無人機都發(fā)揮著重要的作用。隨著傳感器、嵌入式處理器、通信等技術的快速發(fā)展和性能提升，無人機應用技術專業(yè)與高新技術產(chǎn)業(yè)、智能制造技術和現(xiàn)代服務業(yè)等多種產(chǎn)業(yè)領域緊密對接。

科技的進步，也促進著教育事業(yè)的發(fā)展。在教育部大力支持下，開展了很多學術競賽，其中包括全國大學生電子設計競賽，多旋翼飛行器的設計也成為題目之一，不僅體現(xiàn)競賽對知識積累的更高要求和對科技創(chuàng)新的結(jié)合與應用，更能體現(xiàn)我國對無人機發(fā)展的重視。從2013年開始，全國大學生電子設計競賽率先將多旋翼飛行器作為選題之一放入到競賽當中，隨后幾年，更是不斷提高賽題難度，無疑也是對參賽學校和參賽選手的一個重大考驗。

以往各大高校中的機電相關專業(yè)實驗課程缺少一個能將機械結(jié)構(gòu)、電路設計、嵌入式應用、傳感器測控、計算機語言編程、控制算法等多個科目類別綜合運用訓練的實驗平臺，如今無人機在多個領域興起，正是一個很好的契機與平臺，無人機不僅綜合了多個科目實踐研究的內(nèi)容，還伴隨著大量的創(chuàng)客空間與企業(yè)的興起，技術與資料愈發(fā)的成熟和完善，且各大高校和職業(yè)院校也開始著手申請無人機專業(yè)和制定相關課程，以適應科技發(fā)展和學生能力培養(yǎng)，但是還有很多本科院校目前還未對無人機實驗教學平臺廣泛開展實驗教學工作。

本校為了提高實驗室資源，整合了多套基礎儀器設備，完成了電子電氣類開放實驗室的初步建設，已經(jīng)向全校的教師、學生開放，為配合該開放實驗室硬件設施配置，對無人機實驗平臺做出相應設計。

1無人機實驗平臺設計

1.1“積木式”硬件設計

實驗教學平臺的設計，采用“積木式”搭建的方式，使用不同的單片機、傳感器、驅(qū)動器、通信模塊等外圍硬件，可以實現(xiàn)不同的教學課程，包括STC8系列單片機、TM4C系列單片機、STM32系列單片機、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計、藍牙通信、2.4G無線通信、無刷電機驅(qū)動等內(nèi)容。

“積木式”設計可以增加學生動手實踐能力，接口開放程度比較大，可以更方便的接入其他硬件外設，并且可以更好的適應在畢業(yè)設計、課程設計、學科競賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等教學任務中。

1.2上位機功能

上位機軟件包含傳感器校準、單片機設置、傳感器搭配方式、遙控器設置、通信協(xié)議設置、PID調(diào)參等功能。學生可以通過對不同傳感器的搭配，運用不同的算法，來實現(xiàn)對無人機的控制，以得到對自動控制原理、嵌入式開發(fā)、傳感器應用等課程的理解與吸收。

無人機實驗平臺的PID算法調(diào)參是在上位機上進行操作的，通過實時對不同不同參數(shù)調(diào)整，可以直觀的看到無人機姿態(tài)做出的反應，也可對比不同參數(shù)下，無人機對姿態(tài)調(diào)整的反響速度。除此之外，還能通過波形圖觀察無人機三個軸向的姿態(tài)、加速度、角速度及PID參數(shù)的響應速度。

1.3安全防護

無人機擁有高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳，槳葉在無刷電機的帶動下，擁有很大的破壞力，故對學生的安全也尤為重要。

首先，無人機的軸距是可以由螺旋槳的尺寸決定的，作為實驗平臺，螺旋槳尺寸不宜太大，所以無人機的軸距在220mm較為合適，這樣不僅可以在外圍加裝全包圍的防護圈，還能選擇小尺寸的螺旋槳。其次，無人機在控制程序上，須將無人機過傾保護作為最高級的中斷，一旦無人機出現(xiàn)異常，在角度過大的情況下，無人機的螺旋槳能立刻停止旋轉(zhuǎn)，第一時間保護學生不被螺旋槳傷害到。最后，無人機供電使用大功率直流電源箱供電，在異常情況下，學生可以在第一時間內(nèi)，通過關閉電源來使無人機停止工作，以達到保護自身或其他人安全的目的。

2實踐模式

2.1配合專業(yè)學科實驗

無人機涉及到很多學科類別，例如電子、自動化、電氣、通信、計算機等專業(yè)，包含的課程知識有單片機、無線通信、傳感器應用、控制算法、自動控制等內(nèi)容?？梢詫o人機中涉及到的知識，拆分到不同課程中，進行實驗課程內(nèi)容，最后在暑期的課程設計中，將每一個實驗課程的內(nèi)容進行整合，對學生做課程設計實踐，以達到對無人機專業(yè)知識的全面學習和實踐。

2.2配合同舟學院和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)課程

可以在新建設的電子電氣類開放實驗室中進行選修課程，除了固定時間指導外，學生還可以自由選擇時間去實驗室動手實踐，不僅能享受到邊學邊實踐的過程，還可以體驗到設計無人機的樂趣。

2.3配合畢業(yè)設計和課程設計

畢業(yè)設計是將在大學期間所學知識的一個實踐應用，并對自身所學知識水平的提高，而課程設計則是對本學年內(nèi)所學課程的一個階段性總結(jié)。無人機實驗平臺自身擁有難、易多層次的性質(zhì)，可以針對課程設計來教授其中的一部分知識，例如電子線路布置、芯片焊接工藝、單片機應用、通信接口與協(xié)議等內(nèi)容。還可以針對畢業(yè)設計，讓學生開發(fā)設計無人機的其他應用，例如航拍、測繪、植保、檢修、預警、巡邏等。

無人機實驗平臺是“承上啟下”的學習平臺?！俺猩稀笨梢源钆洳煌哪＝M在不同應用領域中進行實際的工作，“啟下”則可以針對不同專業(yè)學科進行理論課程實踐，不僅讓學生對無人機的科學技術和專業(yè)知識在學習的過程中充分融合，還能對社會上科技的發(fā)展有進一步的了解與認識。

2.4配合學科競賽、大學生創(chuàng)新設計實踐項目

隨著無人機的興起，很多大學生科技競賽都出現(xiàn)了有關無人機的賽題，例如：全國大學生電子設計競賽。本校從2013年開始參加電賽中的四旋翼飛行器賽題，這也使得無人機項目一直作為我校大學生創(chuàng)新設計實踐項目的重點研究項目，從開始的設計，到近幾年的圖像識別，每一屆學生都將相關知識傳承下去。如今市面上的消費級無人機逐步走進大學生的視野，無人機實驗平臺作為大學生與專業(yè)知識的契合點，極大的增加了學生的學習熱情，也能體會到自己動手并運用所學知識去體驗無人機的設計過程。

3結(jié)語

總之，學生的創(chuàng)新能力和專業(yè)知識實踐都具有長期性和系統(tǒng)性，在學生的專業(yè)實驗課程上，需要多方位的、系統(tǒng)的、與科技相結(jié)合的去培養(yǎng)他們的能力，讓學生有更好的專業(yè)能力和知識。

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項目來源：同濟大學浙江學院第七屆教改項目第43號，項目編號：0118043

（作者單位：同濟大學浙江學院）