馬兆偉 賈圣德 牛軼峰 吳立珍

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 湖南·長沙 410073）

0 引言

近年來我國對無人機裝備日益重視，是加快軍事智能化發(fā)展的重要體現(xiàn)。近年來，無人機系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用引發(fā)各國軍事領(lǐng)域的關(guān)注，無人機相比有人戰(zhàn)斗機具有以下優(yōu)勢：

（1）無人機系統(tǒng)以任務(wù)為中心設(shè)計，不必考慮乘員需求。無人機相比有人戰(zhàn)斗機可具有更高的過載機動能力，不僅可以快速取得攻擊優(yōu)勢，同時大大降低被敵方殺傷概率，極大地提高了生存力和作戰(zhàn)效能。

（2）研制和使用費用降低，作戰(zhàn)效費比高。無人戰(zhàn)斗機的研發(fā)和生產(chǎn)成本大約為同樣性能的有人戰(zhàn)斗機的三分之一，操作和維護費用大約只為有人戰(zhàn)斗機的四分之一。

（3）可在高危環(huán)境執(zhí)行任務(wù)。無人機可遂行高危險性作戰(zhàn)任務(wù)，更高的隱身性能將大大提高其突防作戰(zhàn)能力和生存力，實現(xiàn)“非接觸”“零傷亡”作戰(zhàn)，無人員傷亡，適應(yīng)政治和軍事需求。

（4）無人機適合開展敏捷化響應(yīng)行動。例如，在阿富汗戰(zhàn)爭中使用的“捕食者”無人機，可一次升空盤旋24小時，由于裝備先進的傳感器和衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)鏈，可在晝夜和全天候環(huán)境下提供實時視頻圖像，使得從偵察到情報核實、下達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)的整個過程時間，不到五分鐘。

為了在本課培養(yǎng)體系中培養(yǎng)無人機相關(guān)人才，本文介紹了瞄準(zhǔn)本課教育的無人機實踐類課程的建設(shè)內(nèi)容以及建設(shè)思路。課程內(nèi)容根據(jù)無人機系統(tǒng)的觀察、判斷、決策、行動(oberver-orient-decide-act,OODA)運用回路，開展教學(xué)內(nèi)容設(shè)計，使得回路中每個單元都有相關(guān)內(nèi)容呼應(yīng)，例如觀察單元對應(yīng)課程中的無人機任務(wù)載荷信息處理部分。以 OODA回路為牽引設(shè)計課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)員對于無人機應(yīng)用的系統(tǒng)性觀念，根據(jù)回路中各單元的需求，重點掌握單元所需的理論知識，適應(yīng)信息化、智能化條件下無人機系統(tǒng)的作戰(zhàn)應(yīng)用背景。

1 無人機系統(tǒng)實踐課程教學(xué)目標(biāo)

無人機系統(tǒng)實踐類課程主要面向無人機系統(tǒng)相關(guān)專業(yè)的本課學(xué)員開設(shè)，課程主要結(jié)合小型固定翼開展無人機組裝調(diào)試、無人機飛行操作、任務(wù)規(guī)劃、鏈路測控、情報處理、維修保障等相關(guān)的課程內(nèi)容項目，強化“動手組裝、編程實現(xiàn)、飛行實操”等實踐環(huán)節(jié)，為學(xué)員打牢在相關(guān)崗位掌握實操技能的基礎(chǔ)。課程主要達(dá)到三級教學(xué)目標(biāo)：

1.1 知識目標(biāo)

學(xué)員通過課程實踐，充分掌握典型小型固定翼無人機系統(tǒng)的組成，了解典型無人機系統(tǒng)的使用、維修的案例，對任務(wù)載荷技術(shù)、無人機測控和信息傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)加以有效運用。

1.2 能力目標(biāo)

課程實踐建立在學(xué)員前期所學(xué)課程的基礎(chǔ)上，結(jié)合無人機實踐課程使學(xué)員具備將所學(xué)理論知識與無人機結(jié)合運用的能力、針對具體無人機應(yīng)用設(shè)計算法并編程實現(xiàn)的能力。結(jié)合具體的無人機系統(tǒng)使用，具備無人機飛行控制、發(fā)射回收、機載偵察設(shè)備操控、無線通信系統(tǒng)管理、導(dǎo)航定位、偵查數(shù)據(jù)分析等能力。

1.3 素質(zhì)目標(biāo)

課程側(cè)重于小型固定翼無人機裝備的飛行操作、案例教學(xué)、任務(wù)設(shè)計，使學(xué)員能夠了解小型固定翼無人機的理論素質(zhì)，實現(xiàn)典型無人機系統(tǒng)的組裝、調(diào)試、測試和飛行全流程實操，具備無人機系統(tǒng)的操作、鏈路測控、情報處理、維修保障等工程素質(zhì)。

2 無人機實踐課程教學(xué)理念與方法

無人機系統(tǒng)實踐類課程實踐性較強，相比理論課更加考核學(xué)員的動手能力，所以在教學(xué)過程中以學(xué)員為中心，引導(dǎo)學(xué)生自我學(xué)習(xí)與實踐，發(fā)揮學(xué)員的主觀能動性，在無人機實踐中“發(fā)現(xiàn)問題—解決問題—思考問題”，教學(xué)過程中，采用四個結(jié)合的教學(xué)方法開展實踐類教學(xué)：

（1）采用啟發(fā)式教學(xué)和趣味教學(xué)相結(jié)合的方式。比如，在教授三角翼無人機調(diào)試時，引導(dǎo)學(xué)員思考舵面偏轉(zhuǎn)和無人機滾轉(zhuǎn)角度、俯仰角度的關(guān)系，通過結(jié)合空氣動力學(xué)和實物講解三角翼傳感器矯正的必要性。實操過程中，會采用個人賽的形式考核學(xué)員對于三角固定翼無人機的組裝過程，使得課程過程中趣味性增強，激發(fā)學(xué)員的積極競賽求勝的心理。

（2）采用理論講授與編程實踐相結(jié)合的方式。授課過程中會結(jié)合無人機的任務(wù)想定開展教學(xué)，例如需要對地面的目標(biāo)進行檢測識別，教學(xué)實施過程中會首先講授算法的原理，課上現(xiàn)場指導(dǎo)學(xué)員利用編程實現(xiàn)，并基于學(xué)生的編程代碼規(guī)范以及算法效果現(xiàn)場評判學(xué)員的成績。

（3）采用教員引導(dǎo)與學(xué)員探究相結(jié)合的方式。無人機系統(tǒng)實踐類課程的特色體現(xiàn)在學(xué)員的個體動手能力上，施教過程中教員主要采用引導(dǎo)的方式，主要以介紹無人機系統(tǒng)原理、無人機實驗實施步驟以及注意事項為主，學(xué)員自我探索組裝無人機，以團隊協(xié)作完成實驗任務(wù)。

（4）采用現(xiàn)場考核與現(xiàn)場點評相結(jié)合。根據(jù)課程設(shè)置的不同實驗項目，課程授課教員采取觀測點現(xiàn)場打分的形式，考核學(xué)員對于實踐科目的完成情況。并針對學(xué)員在實踐過程中所遇到的問題以及錯誤的操作，及時課上點評，加深學(xué)員對于每一個科目的細(xì)節(jié)掌握程度。

3 無人機系統(tǒng)實踐課程內(nèi)容設(shè)計

3.1 總體思路

實踐課程主要瞄準(zhǔn)培養(yǎng)學(xué)員的動手能力以及團隊協(xié)作能力，課程內(nèi)容分為個人科目和團隊科目，團隊任務(wù)的技術(shù)基礎(chǔ)來源于個人項目，又增設(shè)了遞進式任務(wù)，整個課程內(nèi)容設(shè)計如圖1所示，主要包含：無人機組裝調(diào)試、無人機任務(wù)航線規(guī)劃、無人機飛行試驗以及無人機機載任務(wù)載荷感知信息處理模塊等內(nèi)容。課程上課周期持續(xù)1周，課程內(nèi)容設(shè)計按照遞進式逐漸增加課程難度，圍繞無人機OODA回路進行科目設(shè)置，課程首先以個人組裝小型三角翼無人機入門，增加學(xué)員對于實踐課程的興趣，以此作為后續(xù)小型三角翼手控飛行個人項目、大型三角翼組裝團體項目的基礎(chǔ)；任務(wù)航線規(guī)劃模塊主要以地面站以及無人機飛控為基礎(chǔ)，進行航線設(shè)計以及地面監(jiān)測無人機狀態(tài)，以此作為后續(xù)大型三角翼自主航線飛行的基礎(chǔ)；無人機飛行試驗為整個課程內(nèi)容體系的最重要模塊，集成了無人機模擬飛行、遙控飛行、自主飛行各類飛行模式，并以此作為無人機機載任務(wù)載荷感知信息處理的基礎(chǔ)。

圖1：無人機實踐課程內(nèi)容設(shè)計

3.1.1 無人機組裝及調(diào)試

實踐課程所采用的無人機為三角翼無人機，如圖2所示，整個無人機翼展650mm，由機身、動力裝置和飛行控制系統(tǒng)組成，其中所采用的飛行控制系統(tǒng)帶增穩(wěn)功能，含陀螺儀、加速度傳感器等的自平衡陀螺儀系統(tǒng)。整個三角翼系統(tǒng)以零配件的形式分發(fā)給學(xué)員，學(xué)員需要按照實驗指導(dǎo)書完成三角翼無人機的組裝以及系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試過程中涉及到學(xué)員前序課程中所學(xué)的無人機飛行控制原理的相關(guān)知識，引導(dǎo)學(xué)員根據(jù)三角翼的飛行狀態(tài)調(diào)試舵機的控制邏輯，將所學(xué)無人機的控制知識應(yīng)用到實際的物理系統(tǒng)中。

圖2：課程實驗設(shè)備圖

3.1.2 無人機任務(wù)規(guī)劃模塊

任務(wù)規(guī)劃實驗主要樹立學(xué)員對于地面站的概念認(rèn)知，通過無人機地面站現(xiàn)飛行操控、任務(wù)規(guī)劃、參數(shù)整定等。常用的開源地面站軟件由有MissionPlanner、QGroundControl等。課程實驗所采用的地面站為QGroundControl，可用于飛行器起飛前對 Pixhawk自駕儀進行傳感器校準(zhǔn)和參數(shù)調(diào)整等初始化工作，Pixhawk是一款高性能自動駕駛儀，適用于固定翼，多旋翼等多種無人機平臺。在飛行過程中通過無線數(shù)傳模塊接收并觀察到飛機的實時飛行狀態(tài)，學(xué)員根據(jù)飛機飛行狀態(tài)進行在線參數(shù)調(diào)整，其工作界面如圖2所示。學(xué)員根據(jù)任務(wù)計劃以及地圖信息，設(shè)計無人機的飛行航線，在保證無人機飛行安全情況下，開展預(yù)定的飛行任務(wù)。此模塊主要依托團體小組完成翼展1米的大型三角翼組裝后，實現(xiàn)全自主的航線飛行。

3.1.3 無人機飛行試驗

無人機飛行項目模塊主要分手控飛行以及自主飛行兩個模塊。手控飛行以學(xué)員自主完成組裝的小型三角翼飛行考核，學(xué)員首先以前期的商用模擬器機上模擬飛行訓(xùn)練為主，熟悉遙控器的各個搖桿的功能，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對于小型三角翼的實飛科目。在此基礎(chǔ)上，學(xué)員以4-5人組成小組，根據(jù)組內(nèi)設(shè)計的無人機飛行航線，完成大型三角翼的全自主航線飛行。通過此科目學(xué)員可以實現(xiàn)對于無人機的飛行技能的初步入門掌握。

3.1.4 無人機感知信息處理

課程以一個具體的任務(wù)想定為牽引，引導(dǎo)學(xué)員完成對于目標(biāo)檢測識別。以機載的攝像頭作為信息的獲取手段，通過大型三角翼搭載相機、地面站獲取實時圖像數(shù)據(jù)的方式，結(jié)合霍夫圓檢測的基本算法，實現(xiàn)無人機下視視野條件下任務(wù)區(qū)域的圓形目標(biāo)檢測，如圖2所示。利用感知信息處理科目的實踐，加強學(xué)員對于圖像信息處理的認(rèn)識，體驗無人機對于目標(biāo)檢測識別的應(yīng)用，了解無人機對于偵查領(lǐng)域的應(yīng)用。

3.2 課程的考核方式設(shè)置

無人機實踐課程根據(jù)無人機的典型應(yīng)用，以小型三角翼作為對象開展課程實踐，根據(jù)課程內(nèi)容設(shè)計，整個課程被劃分為若干科目。課程的實操性比較強，需要現(xiàn)場給予學(xué)生指導(dǎo)，故整個課程以設(shè)置觀測點打分的形式進行現(xiàn)場考核，根據(jù)科目的考核量表對于學(xué)員的每個科目進行考核。另外，為了加強學(xué)員之間的團隊協(xié)作能力，課程以小組為考核單元，提交課程綜合實驗的實驗報告。每位學(xué)員的最終得分以百分制，其中觀測點打分占70%，實驗報告占據(jù)30%（實驗報告根據(jù)團隊分工計算，實行團隊內(nèi)互評打分的形式）。

4 無人機實踐課程效果分析

（1）無人機實踐課程是多學(xué)科課程的綜合演練。本門實踐課程涵蓋了工程制圖、無人機飛行控制、無人機任務(wù)規(guī)劃、無人機鏈路、圖像處理等相關(guān)課程的知識，學(xué)員以此課程為牽引，對于前序課程的知識點可以實現(xiàn)課程體系的閉環(huán)。

（2）無人機實踐課程構(gòu)建了課程理論到實踐探索的橋梁。對于無人機相關(guān)專業(yè)學(xué)生，個人需求比較明確，急需將所學(xué)知識進行轉(zhuǎn)化，通過這類實踐課程可以讓學(xué)員體驗以無人機具體對象的課程實踐樂趣，強化學(xué)員對于無人機系統(tǒng)的模塊知識學(xué)習(xí)。從課程成效方面可以看出，學(xué)員對于實踐類課程參與度很高，課程的積極性很高，真?zhèn)€課程的教學(xué)過程中充分體現(xiàn)了以學(xué)員為中心的教學(xué)理念，充分發(fā)揮學(xué)員的主觀能動性，讓學(xué)員從實踐中反思理論知識點的難點和關(guān)鍵點。

5 總結(jié)

無人機實踐課程具有實踐性強、集中性、時效性強、知識面覆蓋面廣等特點，集成了無人機相關(guān)領(lǐng)域眾多課程的知識點，面向本科學(xué)員開設(shè)。本文以無人機綜合實踐類課程為基礎(chǔ)，闡述了課程建設(shè)的思路以及課程的內(nèi)容框架。作為實踐類課程，圍繞無人機OODA回路，緊貼前沿應(yīng)用，實現(xiàn)了課程理論實踐到運用的轉(zhuǎn)化。本文總結(jié)的無人機實踐類課程的建設(shè)思路可為后續(xù)實踐課程建設(shè)進行指導(dǎo)。