基于四軸飛行器的合訓類本科畢業設計實踐

摘要：針對信息化戰爭的發展趨勢和基礎合訓類學員的任職需求，以提高學員的綜合實踐能力和激發學員的學習興趣為目的，介紹基于AR.Drone四軸飛行器開展飛行器控制軟件的合訓類本科畢業設計的探索實踐。

關鍵詞：基礎合訓；本科畢業設計；四軸飛行器；AR.Drone

引 言

畢業設計是高等院校培養高素質綜合型人才的最后一個階段，也是學員在任職前經歷的一個綜合性、實踐性很強的教學環節。在畢業設計過程中，學員在導師的指導下，綜合運用本科期間所學的專業知識和基本技能分析、研究和解決一個實際問題，從而提高學員的實踐能力和綜合素質，其質量是衡量高等院校教育教學水平的一項重要指標。

基礎合訓類學員的教學目標是培養適應軍隊現代化建設、打贏信息化戰爭需要的懂技術、會管理、能指揮的高素質初級指揮軍官。作為從院校走向部隊工作崗位的一個過渡，合訓類本科畢業設計應該反映作戰方法研究和工程技術研究的雙重特點，題目要具有一定的應用性和前瞻性，例如各種新型武器裝備在作戰應用中的現實問題和直接需求。

圍繞“院校教育向部隊靠攏”這個主題，針對如何適應部隊未來信息化作戰需要以及如何培養學員實踐動手能力和激發學習興趣等問題，筆者所在教研室在AR.Drone四軸飛行器的基礎上開展了合訓類本科畢業設計的探索，從選題、開題、指導、演示到答辯等整個環節采取了一系列措施。

1 AR.Drone飛行器和選題介紹

當前，無人作戰平臺、自治系統在現代化戰爭中得到廣泛應用，無人飛行器憑借成本低、適應力強、出勤率高、零傷亡等特點成為現代戰爭的重要組成部分。無人飛行器如何完成作戰任務、如何進行技術革新是現代軍人面臨的問題。作為未來信息化戰爭的主力軍，合訓學員應該了解、應用、革新無人飛行器等新型武器裝備。

近兩年來，我們以AR.Drone四軸飛行器為平臺，開展面向無人飛行器控制軟件創新實驗的合訓類本科畢業設計，旨在提高學員對信息化裝備的操控能力和技術革新能力，并了解信息化裝備戰斗力生成的一般模式和創新思維。

AR.Drone是法國Parrot公司開發的一款遙控四軸飛行器（如圖1所示），計算機、平板電腦和智能手機等設備可以通過Wi-Fi網絡對其進行遠程控制。AR.Drone有4個無刷內轉馬達以及陀螺儀、加速度計、磁強計、超聲波等傳感器，配備兩個攝像頭，使用ARM A8 CPU和Linux操作系統。計算機可以通過網絡發送指令控制飛行器動作以及獲取狀態、角度、海拔、速度等飛行數據和傳感器獲取的各種數據，尤為重要的是AR.Drone還提供豐富的二次開發接口和成熟的SDK開發環境。

在AR.Drone平臺上，我們圍繞飛行器控制軟件革新這個主題，結合現代戰爭對無人飛行器的應用需求開展合訓類本科畢業設計，已有選題如表1所示。由表l可知，這些畢業設計選題具有鮮明的軍事特色，可有效提高無人飛行器的軍事應用價值和智能化水平，所涉及的技術內容與本科階段學習的很多計算機專業課程密切相關（例如網絡、嵌入式設備、計算機圖形學、人工智能等），從而能夠進一步深化與升華所學基礎理論和專業知識并提高學員的綜合實踐能力。

2 主要采取的措施

這些題目公布之后，立刻在學校合訓類學員中引起很大反響，很多學員主動要求參加四軸飛行器的畢業設計。但是合訓類學員為了適應第一任職的需要，本科學習期間在軍事指揮及體育訓練方面花費了很多時間，相比技術類學員而言，合訓類學員在專業基礎和實踐能力上有所不足；合訓類學員在畢業學期還面臨繁重的畢業聯考任務，從事畢業設計的時間和精力不能得到有效保障。

相比以前的畢業設計題目，這些題目的難度和工作量明顯增加。為保證完成質量，我們從選題、開題、指導、成果演示、論文撰寫到答辯的整個過程都采取了一些針對性措施，取得了較好的效果。

2.1 選題和前期準備

在擬定題目時，教研室組織相關指導教員集中討論，以技術專題形式給出一組有軍事應用背景、難度適中的題目，而且要求指導教員清晰明了題目的主要工作量、技術路線和難點；然后，在教務統一組織下進行畢業設計題目宣講，介紹題目的主要任務和所需的基礎知識等，使學員能夠針對自身情況進行選題，并請學員隊推薦一些基礎好、動手能力強的學員。為了保證前期準備更加充分，這些工作提前到第七學期完成。

在學員選定題目后，導師與學員見面，進一步介紹課題并提供相應資料，并要求學員在第七學期（包括寒假期間）預先準備好一些工作，包括學習相關的專業知識和閱讀AR.Drone的技術文檔等。

2.2 開題及開發平臺搭建

開題是讓學員在導師指導下通過查閱資料和初步的研究工作進一步加深對課題的理解，了解國內外的現狀和相關發展趨勢，明晰課題需要解決的關鍵理論問題和實際問題，并確定研究的基本方法、技術路線和實驗方案。學員要與導師一起確定研究計劃，并估計可能遇到的困難和擬采取的解決措施。由于資料較多，且主要為英文材料，這個階段鼓勵同一專題的學員分工閱讀，然后再通過報告、討論的形式在組內交流，一方面減少工作量，另一方面鍛煉口頭表達能力。

由于AR.Drone自帶的SDK規模較大，并且涉及飛行器的很多技術細節問題，學員難以快速理解和掌握。我們在AR.Drone SDK的基礎上，結合一些開源項目構建了一個二次開發平臺。這個平臺把AR.Drone的常用功能進一步封裝成一些API，主要分為飛行器控制和傳感器數據接收兩個模塊，同時還把需要用到的第三方資源（例如計算機視覺庫OpenCV）一并打包。這個平臺在很大程度上減少了畢業設計的工作量，使學員將精力集中到課題本身的研究上。

2.3 全程指導

學校要求合訓類畢業設計以技術專題的形式組織，每個專題包括5～7個子課題，由一個導師組負責，導師組中每位老師指導1～2名學生。每位導師的專業方向有所差異，這樣對學員的指導更加全面。每個導師組由一名正高職教員任負責人，進行該組的整體協調，并對畢業設計整體進度進行檢查、督促。學校要求學員每個星期都要向導師匯報工作進展，每個月向導師組匯報一次，使整個過程中每名學員的畢業設計進度可控，不會被聯考等任務所干擾而滯后。

“授人以魚不如授之以漁”，導師指導不是直接告訴結果或幫學員調試程序，而是介紹原理、傳授經驗和啟迪思想，盡量培養學員的自學能力，這樣才會在畢業設計的后期發揮重要作用，對學員今后的成長也大有裨益。教員還要注意培養一種組內團結協作的氣氛，鼓勵學員之間的相互學習和探討，基礎好的要多幫助基礎稍差的，彼此形成一種良性的競爭。

2.4 成果演示及論文撰寫

學校規定合訓類畢業設計在答辯前必須進行成果演示，由導師組之外的教員構成專家組現場評審，演示不通過則不能答辯。為確保演示成功，要求學員在完成程序編寫和調試外，還要進行嚴格的測試，并做異常情景處理預案，這也足培養綜合素質的一方面。

撰寫論文是畢業設計本身的要求，表達和寫作能力對今后工作來說也非常重要。但是，由于學員之前并沒有接受過這方面的系統訓練，科技論文寫作的基礎比較薄弱，還有部分學員把畢業設計局限為寫好程序和做好實驗，對論文不夠重視。導師應幫學員認識到撰寫畢業論文的意義，介紹論文撰寫方法和規范，梳理論文主要提綱。論文經常出現的問題是：工作重點不突出，內容邏輯性不嚴謹，圖表、公式和參考文獻引用不規范等。所以，學員需要在導師的指導下對論文反復修改。目前，學校對本科畢業論文還有查重的要求，這就需要在撰寫論文時一定要用自已的語言進行表述。

2.5 論文評閱及答辯

在論文提交后，由兩名教員對論文進行評閱，給出評定結果和具體修改意見，并責令指導教員督促學員修改論文。論文評閱要在答辯前兩周完成，目的是給論文修改留下足夠時問。

在論文答辯階段需要學員完成報告片的制作和試講，導師要讓學員明白答辯的重點足在有限的時間內圍繞自己的核心工作和關鍵環節進行介紹，重點要突出，思路要清晰，這樣才能給答辯專家留下深刻印象。由于臨場經驗欠缺等主觀岡素，很多學員答辯報告的質量仍然不夠理想答辯前導師需要組織答辯試講，通過反復的練習、點評提高學員的臨場表達能力和對報告進度的控制能力。

3 成果和不足

基于AR.Drone飛行器進行合訓本科畢業設計的效果總體較好。筆者所在導師組指導的12名學員中，基本上順利完成了任務書預定的目標，成績優秀、良好和中等各有2名、8名、2名。圖2給出了在基于手勢識別的飛行指揮課題中，進行手勢識別的測試截圖。

學員們普遍反映，通過畢業設計，個人的自學能力、動手實踐能力和論文寫作能力等都有明顯提高。學員們自己動手編寫一個控制程序，使飛行器能夠完成一些軍事特色的應用，覺得很有成就感。

主要存在的問題是畢業設計題目的難度相比以前有所增加，有些題目涉及網絡、硬件、軟件等多個方面，合訓類學員基礎較薄弱、動手實踐能力不強，而且他們還需要在畢業聯考上投入不少時間，這導致很多學員在畢業設計的前期進展非常緩慢，后面的時間比較緊張，有的學員由于遲遲沒有進展而產生了放棄的想法。在導師的鼓勵和指導下，雖然最后基本上完成任務，但是完成的質量還不夠理想。所以，結合基礎合訓類學員的特點，設計一些難度適中的課題是我們未來的工作重點。

4 結語

結合新型武器裝備和現代化戰爭的發展，著眼增強合訓類學員培養的針對性、實效性和指向性，努力提高合訓類畢業設計的軍事應用特色是學校始終追求的目標。在AR.Drone四軸飛行器的基礎上，我們圍繞無人飛行器控制軟件革新開展了合訓類本科畢業設計的探索和實踐，并具體在畢業設計的整個環節采取了一系列措施，取得了較好的效果。下一步我們將結合前期經驗和存在的不足，從選題、指導等方面加強對關于新型武器裝備的合訓本科畢業設計的研究和改革。