羅 偉

（蘇州市職業(yè)大學，江蘇 蘇州215104）

【關鍵字】無人機；創(chuàng)新能力培養(yǎng)；課程體系

0 引言

近年來，無人機技術日趨成熟，市場發(fā)展迅速，特別是在民用領域，應用范圍已擴展到各行各業(yè)，消費級無人機市場已有大疆、極飛、億航等商用巨頭，無人機市場不斷細分，已應用到視頻拍攝、城市管理、電力巡檢、農業(yè)、地質等領域。

無人機的快速發(fā)展將創(chuàng)造大量的工作崗位，無人機人才稀缺，國內中高職院校均已開設了無人機專業(yè)，開設院校數量逐年上漲，2020年已有312所高職院校對無人機應用技術進行了擬招生專業(yè)設置備案[1]。無人機單機技術已經成熟，但無人機依然存在續(xù)航能力不足、載重不夠等缺點。多機協(xié)作，空地協(xié)同，仍然是無人機研究的熱點問題，特別是空地協(xié)同。空地協(xié)同可以解決空中無人機負載能力不足的缺點，同時解決了地面無人機視野不足的缺陷。

1 無人機與創(chuàng)新能力培養(yǎng)

無人機是集機械、電子、計算機等多學科為一體的高科技產品，具有多學科交叉的優(yōu)點，此外無人機還具有趣味性，學生比較喜歡操作，以無人機為載體開展創(chuàng)新教育，是培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力的理想素材。特別是空地協(xié)同無人機，空地協(xié)同無人機使用到的技術比空中無人機要多很多，除空中無人機涉及的技術外，還包括空地通信、空中目標識別、路徑規(guī)劃等?？盏貐f(xié)同無人機既要設計制作地面無人機，又要設計制作空中無人機，可以為學生提供個性化的學習機會，構建綜合創(chuàng)新能力培養(yǎng)的立體化場景，而且空地協(xié)同無人機技術還不成熟，還有不少需要解決的問題，也是高層次學生進行科研創(chuàng)新的絕佳素材。

目前，無人機已進入到電子設計競賽、技能大賽、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，成為一個重要的比賽素材，激發(fā)了學生們學習相關知識的動力，在培養(yǎng)學生的實踐能力、創(chuàng)新能力、團隊精神方面，起到了重要的促進作用[2]。

根據高職學生的培養(yǎng)要求，無人機作為創(chuàng)新能力培養(yǎng)的重要素材，涵蓋了電子信息、機械、計算機等相關學科知識點，其可以作為：練習設備裝配的平臺，練習飛行的操作平臺，練習單片機、電路設計的電子平臺，練習算法的計算機平臺。在裝配過程中，學生可以了解無人機的結構和機械原理，練習飛行可以鍛煉學生手眼協(xié)同能力。在電子平臺方面，學生可以借助無人機學習單片機及相關電路與程序的設計。作為計算機平臺，學生可以進行計算機視覺、SLAM等算法的研究與學習?？傊?，無人機可供教學與研究的領域很多，很多專業(yè)的學生都可以找到自己的興趣點。

2 現有無人機教學平臺

高職電子信息類專業(yè)現有的創(chuàng)新能力培養(yǎng)平臺一般只側重于對單一課程內容或簡單的系統(tǒng)集成，缺乏趣味性，學生興趣不高，大部分高職學生無法自主完成相關實驗，同時綜合性也不夠，無法串聯(lián)所學知識。近年來，隨著無人機技術的不斷發(fā)展、生態(tài)的不斷完善，無人機的趣味性、綜合性使得無人機開始應用于高校創(chuàng)新人才培養(yǎng)，使得各相關專業(yè)開始把無人機作為主體，構建創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程體系。

目前已有電子科技大學、中國石油大學、南京工業(yè)大學等高校，以及杭州朗迅科技有限公司等企業(yè)開發(fā)了各種無人機實踐創(chuàng)新教學平臺。

電子科技大學開發(fā)無人機實踐平臺以STM32系列ARM芯片作為主控芯片、R5F100LEA為輔助芯片主要用于圖像識別的無人機遙感相關課程，可以實現找尋特定物品、投遞物品、規(guī)劃路線飛行等遙感實驗[3]。中國石油大學開發(fā)的無人機教學平臺基于Odroid嵌入式系統(tǒng)。該平臺運用模塊化設計，通用性強、開源開放，擴展性強，學生可以二次開發(fā)[4]。南京工業(yè)大學開發(fā)的無人機平臺基于TI公司的C2000 Launchpad電子設計競賽平臺，同時引入樹莓派視覺模塊，學生通過該無人機平臺的設計，可以掌握基本的單片機、傳感器、自動控制等方面的知識[5]。

杭州朗迅科技有限公司開發(fā)了LK200SLK300LK400、LK-UAVSDK無人機綜合實訓平臺、LK-ATL300空地協(xié)同綜合實訓開發(fā)套件等無人機相關套件，涵蓋了無人機的大部分應用場景。其中LK200無人機應用開發(fā)平臺由無人機、遙控器、OpenMV視覺模塊等組成。LK200可進行基本的飛控、無線通信、計算機視覺的實驗[6]。

3 基于無人機的創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程體系

高職課程培養(yǎng)體系大多重視技能的培養(yǎng)，學生反復訓練某一項技能，已達到熟練掌握某項技能的目的，而創(chuàng)新能力是在專業(yè)領域提供有價值的新方法或新發(fā)明的能力，高職對創(chuàng)新能力培養(yǎng)有所欠缺。無人機的趣味性、應用場景的廣泛性、可擴展性都為學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了便利。

基于無人機的創(chuàng)新能力培養(yǎng)課程可以分為無人機設計與無人機應用兩大類。

無人機設計涉及結構設計、硬件設計、軟件設計。無人機硬件上主要由以下幾部分組成：飛控、傳感器、電調、無刷電機、螺旋槳、電池、無線遙控器等。軟件上主要是飛控系統(tǒng)，可以分為驅動層、分析層、控制層和應用層[5]。無人機應用主要是設計應用層軟件，應用的場景往往受限于硬件和結構，應用的局限性會進一步促進無人機設計的進步。常見的二次開發(fā)一般也是應用層面的開發(fā)。無人機應用主要涉及目標識別、圖像視頻處理、無人機控制等知識，對學生的編程能力要求較高。綜合考慮高職的培養(yǎng)目標及學生的接受能力構建課程體系，依托于電子信息類專業(yè)，學生們需要學習數字電子技術，模擬電子技術，電路分析、單片機、AutoCAD、線路板CAD等課程。這些基本能滿足無人機硬件設計的要求。此外，還需要專門的無人機設計課程將無人機設計相關技術綜合到一起。同樣也需要專門的無人機應用技術課程將無人機相關應用技術綜合到一起。

無人機設計課程涉及無人機設備組裝、飛控程序設計、無人機操作等課程。通過組裝讓學生了解無人機的結構與組成，提高學生的動手能力，加強對無人機機械結構的了解。飛控程序設計讓學生掌握飛控的原理，并能進行簡單的飛控實現。無人機操作則讓學生學會無人機的操作，完成一些基本的無人機飛行與拍攝任務。無人機應用技術課程主要側重于視覺處理，從視覺軟硬件開發(fā)環(huán)境搭建到圖像基礎實驗再到圖像高級實驗，最后是視頻處理實驗?；A圖像實驗包括圖像格式變換、灰度變換、濾波等。高級圖像實驗包括輪廓識別、簡單物體識別、復雜物體識別等高級圖像實驗。視頻處理實驗包括視頻讀寫、視頻幀處理、實時人臉檢測等視頻處理實驗。

4 建設成效

近三年來，學校師生利用無人機作為創(chuàng)新能力培養(yǎng)的素材，在各類比賽中取得了一系列的成果，獲得了江蘇省大學生機器人大賽冠軍、挑戰(zhàn)杯省二等獎、全國大學生計算機應用技術能力大賽人工智能賽項一等獎、金磚國家技能大賽國內三等獎、藍橋杯省一等獎等比賽成績。同時，還有多位同學申請了軟件著作權、專利，發(fā)表了論文。