歐巧鳳， 劉譜冬， 袁 昊， 溫 靖， 熊邦書(shū)， 莫 燕

（1. 南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330063； 2. 深圳大學(xué) 機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東 深圳 518061）

引 言

根據(jù)《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》所述，航空領(lǐng)域是中國(guó)戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一。世界航空強(qiáng)國(guó)均構(gòu)建了龐大的航空人才培養(yǎng)體系，包括完備的航空院所、航空高校和航空專業(yè)等人才培養(yǎng)體系[1]，在機(jī)械和電氣等傳統(tǒng)航空專業(yè)的教學(xué)研究成果較多[2-3]。目前，如何改革計(jì)算機(jī)、電子、信息、通信類課程的教學(xué)模式，從而更好地為航空產(chǎn)業(yè)服務(wù)，是當(dāng)前航空大發(fā)展背景下亟需深入研究的課題。

落實(shí)計(jì)算機(jī)和電子信息類課程的航空特色教學(xué)，必須配備具有航空特色的教學(xué)載體，即適用于教學(xué)的航空飛行器?，F(xiàn)有航空飛行器[4-6]中，多旋翼無(wú)人機(jī)只需通過(guò)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)飛行器的飛行控制，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小、安全性好、學(xué)習(xí)資料充足，適合作為信息工程類專業(yè)教學(xué)的教學(xué)載體[7-8]。

目前，四旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用廣泛，相應(yīng)的設(shè)計(jì)研發(fā)和飛行操作等就業(yè)崗位需求快速增長(zhǎng)，相關(guān)的人才培養(yǎng)出現(xiàn)缺口[9]。因此，包括清華大學(xué)在內(nèi)的很多高校開(kāi)始設(shè)立無(wú)人機(jī)相關(guān)專業(yè)和建立實(shí)驗(yàn)室[10-11]，開(kāi)展了大量教改研究并取得了豐富的成果[12]，現(xiàn)有的無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，普遍存在依賴于航空領(lǐng)域內(nèi)的企業(yè)或新興的教學(xué)設(shè)備提供商的問(wèn)題，存在建設(shè)成本高、師生參與度低、改造維護(hù)困難等缺點(diǎn)[13]。因此，如何高效地建設(shè)和利用四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)需要研究的問(wèn)題。

本團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年的積累，探索了師生共建管四旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室的模式，已取得較好的教學(xué)效果。

1 四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室總體設(shè)計(jì)

1.1 四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)

總體目標(biāo)是打造一個(gè)成本低、利用率高、可維護(hù)性好的四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室，便于開(kāi)展跨專業(yè)、多層次、航空特色鮮明的信息類課程教學(xué)，同時(shí)，可為師生開(kāi)展無(wú)人機(jī)研發(fā)和競(jìng)賽培訓(xùn)提供平臺(tái)。

1.2 實(shí)驗(yàn)室功能和布局設(shè)計(jì)

四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室可提供實(shí)物展示、多媒體教學(xué)、硬件組裝和調(diào)試、軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試、無(wú)人機(jī)試飛等全套教學(xué)服務(wù)，其布局設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室布局設(shè)計(jì)圖

實(shí)物展示區(qū)域位于實(shí)驗(yàn)室四周便于展示的區(qū)域，由展柜、采購(gòu)的無(wú)人機(jī)產(chǎn)品、師生自主開(kāi)發(fā)的教學(xué)無(wú)人機(jī)整機(jī)、自主開(kāi)發(fā)的無(wú)人機(jī)教學(xué)模塊等組成。多媒體教學(xué)平臺(tái)位于實(shí)驗(yàn)室前部，由講臺(tái)、白板、投影儀、音響、網(wǎng)絡(luò)等組成，可以用于原理教學(xué)、匯報(bào)、交流等。硬件組裝和調(diào)試平臺(tái)位于實(shí)驗(yàn)室后部，由臺(tái)面、工具、設(shè)備、耗材等組成。在硬件組裝調(diào)試區(qū)，主要完成飛行器電路穩(wěn)定性檢測(cè)、飛行器組裝及卸槳模擬飛行測(cè)試等工作。軟件開(kāi)發(fā)和測(cè)試區(qū)位于實(shí)驗(yàn)室前中部，主要由實(shí)驗(yàn)桌、無(wú)人機(jī)載體、電腦及相關(guān)軟件組成，電腦軟件包括CCS、Keil、串口調(diào)試助手等。在軟件調(diào)試區(qū)，主要完成飛行器電路原理圖設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)及代碼調(diào)試等工作。無(wú)人機(jī)飛行區(qū)域主要由飛行安全網(wǎng)、海綿地墊及其它飛行地標(biāo)組成。在飛行區(qū)，模擬各種飛行環(huán)境，可以進(jìn)行飛控調(diào)參、遙控飛行和自主飛行等各種飛行試驗(yàn)和展示。

2 四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備

該實(shí)驗(yàn)室以師生自主研發(fā)的四旋翼無(wú)人機(jī)作為主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備，探索信息類課程的航空特色教學(xué)方法。

2.1 四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

從不同層次和不同角度提高相關(guān)專業(yè)本科生把所學(xué)專業(yè)理論應(yīng)用于航空領(lǐng)域的能力，提供學(xué)生跨專業(yè)交流和合作的平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的四旋翼無(wú)人機(jī)由消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)和自主研發(fā)無(wú)人機(jī)組成，如圖2 所示。

圖2 四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)階式教學(xué)過(guò)程

在基于消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)的初級(jí)教學(xué)環(huán)節(jié)中，選擇少量的大疆科技經(jīng)典“御”系列消費(fèi)無(wú)人機(jī)作為初級(jí)教學(xué)載體，用于實(shí)際教學(xué)。課堂上組織學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)飛行觀摩，使學(xué)生了解無(wú)人機(jī)功能、用途、飛行原理和操作、技術(shù)工藝和趨勢(shì)。課后師生共同參與市場(chǎng)調(diào)研，了解和跟蹤無(wú)人機(jī)技術(shù)動(dòng)態(tài)，為無(wú)人機(jī)的自主研發(fā)和維護(hù)升級(jí)奠定基礎(chǔ)。

在基于遙控四旋翼飛機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的中級(jí)教學(xué)環(huán)節(jié)中，采用機(jī)架、電機(jī)、處理器和遙控器等基本組件和模塊，讓學(xué)生組裝和調(diào)試四旋翼飛機(jī)，并實(shí)現(xiàn)遙控飛行。這個(gè)教學(xué)過(guò)程的目標(biāo)是進(jìn)一步掌握飛行原理、基本的硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)。

在基于自研無(wú)人機(jī)的高級(jí)教學(xué)環(huán)節(jié)中，主要添加視覺(jué)模塊和算法、傳感器數(shù)據(jù)融合、自主飛行控制、航路規(guī)劃等功能，實(shí)現(xiàn)四旋翼飛機(jī)簡(jiǎn)單的自主飛行。讓學(xué)生接觸到算法設(shè)計(jì)，領(lǐng)會(huì)算法的強(qiáng)大魅力。

在面向系統(tǒng)優(yōu)化的進(jìn)階教學(xué)環(huán)節(jié)中，主要針對(duì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)選拔前期培訓(xùn)效果較好的部分學(xué)生，師生共同努力，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)的性能進(jìn)行優(yōu)化，包括結(jié)構(gòu)、載重、節(jié)能、靈活性、穩(wěn)定性等多方面的性能，再根據(jù)研究成果迭代更新下一輪次的中級(jí)和高級(jí)教學(xué)。

綜上，四旋翼無(wú)人機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到電子、通信、自動(dòng)化、信號(hào)處理等多個(gè)專業(yè)的理論知識(shí)和軟硬件工程技能，通過(guò)進(jìn)階式教學(xué)，使學(xué)生全面提高工程應(yīng)用能力，促進(jìn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的教學(xué)和科研水平提高。

2.2 師生自主研發(fā)的教學(xué)無(wú)人機(jī)

自主研發(fā)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由機(jī)身、飛行控制模塊、視覺(jué)導(dǎo)航模塊、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊以及地面站軟件組成，如圖3 所示。

圖3 教學(xué)四旋翼無(wú)人機(jī)組成

1）飛行控制模塊。該模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需要掌握單片機(jī)或DSP 處理器的軟硬件知識(shí)、自動(dòng)控制原理、電路設(shè)計(jì)、C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)、傳感器原理、通信技術(shù)、空間坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)融合算法等；

2）視覺(jué)導(dǎo)航模塊。計(jì)算機(jī)視覺(jué)標(biāo)定、圖像處理、總線技術(shù)，遙控飛行操作；

3）執(zhí)行器。電調(diào)、電機(jī)、基本的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)；

4）電源模塊。電源電路；

5）上位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件自主開(kāi)發(fā)及教學(xué)，可作為軟件工程教學(xué)的完整案例，編程涉及C++編程、MFC 界面編程、3D 動(dòng)畫(huà)編程、基于TeeChart的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示、多種通信功能（藍(lán)牙、WIFI、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)傳等）。

每個(gè)模塊可以覆蓋多個(gè)專業(yè)教學(xué)和研究。因此，在教學(xué)上，以自主研發(fā)載體為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)字電路、模擬電路、通信原理、自動(dòng)控制原理、圖像處理等信息工程類課程為不同專業(yè)和不同層次學(xué)生設(shè)定教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)形式和教學(xué)內(nèi)容合理豐富。能夠使學(xué)生在航空系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中結(jié)合專業(yè)理論，提高學(xué)生對(duì)航空的認(rèn)識(shí)，熟練掌握專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用。

整個(gè)系統(tǒng)可以用于組裝、調(diào)試的教學(xué)，適用于入門的學(xué)生；每個(gè)子系統(tǒng)可以用于不同專業(yè)學(xué)生重點(diǎn)教學(xué)，適合用于有一定基礎(chǔ)的相關(guān)專業(yè)學(xué)生；每個(gè)模塊可以用于深入教學(xué)，適合用于基礎(chǔ)較好的學(xué)生。

3 教學(xué)和管理模式探索

實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)設(shè)施和實(shí)驗(yàn)設(shè)備是硬環(huán)境，而科學(xué)的實(shí)驗(yàn)室管理和教學(xué)模式是軟環(huán)境。實(shí)驗(yàn)設(shè)備通過(guò)師生迭代開(kāi)發(fā)并用于多層次教學(xué)，因此，與常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室相比，教學(xué)模式和管理模式都需相應(yīng)的創(chuàng)新，充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室效益。

3.1 教學(xué)模式探索

四旋翼無(wú)人機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)室支持的教學(xué)環(huán)節(jié)和模式包括：

1）面向全校同學(xué)開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，開(kāi)設(shè)8 學(xué)時(shí)選修實(shí)驗(yàn)，初步激發(fā)學(xué)生興趣；

2）面向全院學(xué)生開(kāi)展課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，鍛煉學(xué)生無(wú)人機(jī)工程實(shí)踐能力；

3）面向大四學(xué)生開(kāi)展畢業(yè)實(shí)訓(xùn)和畢業(yè)設(shè)計(jì)，全面提高學(xué)生創(chuàng)新能力；

4）面向電子設(shè)計(jì)等學(xué)生競(jìng)賽活動(dòng)，開(kāi)展競(jìng)賽技能培訓(xùn)，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

3.2 管理模式探索

在學(xué)院現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)制的基礎(chǔ)上，需調(diào)動(dòng)學(xué)生和老師的積極性，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室科研與教學(xué)結(jié)合，創(chuàng)新管理方式，加強(qiáng)學(xué)生與教師交流。為此做了如下四點(diǎn)探索：

1）經(jīng)費(fèi)支持。制定激勵(lì)政策，對(duì)有研究成果和競(jìng)賽獲獎(jiǎng)的師生給予相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，吸收更多學(xué)生參與航空相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和研究；

2）師資隊(duì)伍的建設(shè)。由工程經(jīng)驗(yàn)豐富的一線教師組成，研究方向與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容聯(lián)系緊密，從而加強(qiáng)科研與教學(xué)的結(jié)合，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室四旋翼無(wú)人機(jī)研究融入教學(xué)；

3）學(xué)生自主管理。學(xué)生負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境維護(hù)、設(shè)備檢查和紀(jì)律規(guī)范等工作，承擔(dān)一定的教學(xué)科研任務(wù)；

4）傳幫帶教學(xué)形式。著重培養(yǎng)優(yōu)秀學(xué)生，使其成為學(xué)生傳幫帶主力軍，并參與實(shí)踐教學(xué)隊(duì)伍建設(shè)，促進(jìn)教學(xué)隊(duì)伍多樣化，從而提高教學(xué)整體水平；

5）實(shí)驗(yàn)室例會(huì)交流制度。定期組織學(xué)生以PPT 展示的形式就近期學(xué)習(xí)工作內(nèi)容展開(kāi)交流，教師團(tuán)隊(duì)進(jìn)行集體指導(dǎo)；要求學(xué)生就近期實(shí)驗(yàn)室攻克的問(wèn)題給出自己分析以及解決方案。

3.3 實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成效

經(jīng)過(guò)四屆學(xué)生和教師的共同探索，四旋翼無(wú)人機(jī)師生共建實(shí)驗(yàn)室已完成第一期目標(biāo)。利用較少的經(jīng)費(fèi)，自主研發(fā)了四旋翼無(wú)人機(jī)教學(xué)載體，功能齊全，飛行穩(wěn)定，學(xué)生規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在堅(jiān)持參加培訓(xùn)的學(xué)員有幾十名，周末的例會(huì)交流如圖4 所示，學(xué)習(xí)氛圍好，學(xué)習(xí)積極性高。

圖4 四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室例會(huì)現(xiàn)場(chǎng)

在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中,培養(yǎng)了許多優(yōu)秀畢業(yè)生，有的保送至985 重點(diǎn)大學(xué)攻讀碩士學(xué)位，有的考研繼續(xù)攻讀無(wú)人機(jī)方向，有的在信息類企業(yè)工作待遇優(yōu)厚，有的在航空企業(yè)工作立志航空?qǐng)?bào)國(guó)等；獲得了多項(xiàng)競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)，授權(quán)了相關(guān)專利。

4 結(jié) 論

本文主要探索實(shí)踐了四旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)驗(yàn)室?guī)熒步Ｊ?、教學(xué)模式和管理模式，為信息類專業(yè)如何落實(shí)航空特色提供了新思路。以自主研發(fā)無(wú)人機(jī)為載體，融入多個(gè)學(xué)科和多個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)理論和課程，開(kāi)展跨專業(yè)綜合創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了低成本、高效率、師生參與度高、可維護(hù)性好的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)和管理模式。該教學(xué)模式符合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)理念，為提升學(xué)生創(chuàng)新能力、促進(jìn)航空類專業(yè)人才的培養(yǎng)進(jìn)行了有益探索。