基于OBE的“無人機控制系統”工程教育模式研究

秦玉鑫　劉兆瑜　陳宇

摘 要 無人機技術的飛速發展，必將成為未來許多產業不可或缺的組成部分，對于高等學校的電子信息工程專業，開設“無人機控制系統”課程十分必要，針對該課程的特點，通過理論與實踐教學相結合，才能有效提高該課程的教學質量。本文根據無人機控制系統的特點，基于OBE工程教育模式，設計了該課程的實踐教學方案，不但能夠使學生深入理解“無人機控制系統”課程的概念和理論，而且能夠培養學生的創新能力，最終提高該課程的教學質量。

關鍵詞 無人機控制系統 實踐教學 OBE 教學模式

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.02.046

Research of "Control System of UAV" Project Teaching Mode Based on OBE

QIN Yuxin， LIU Zhaoyu， CHEN Yu

（College of Electronics and Communication Engineering， Zheng Zhou University of

Aeronautics， Zhengzhou， Henan 450000）

Abstract The rapid development of UAV technology will surely become an indispensable part of many industries in the future. For the colleges and universities of electronic information engineering， it is necessary to open the courses of “Control System of UAV”. For the characteristics of the course， an effective way to improve the quality of teaching is the combination of theory and practice teaching. According to the characteristics of this course， this paper designs a practical teaching plan based on the OBE engineering teaching mode. The program enables students to understand the concepts and theories of “Control Systems of UAV”. It also can develop students' ability of innovate， and ultimately improve the quality of teaching this course.

Keywords UAV Control System； practical teaching； OBE； teaching mode

0 引言

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）作為一種能夠實現遠程控制或自主飛行的非載人飛行器，與有人駕駛的飛行器相比具有許多突出的優勢，首先無人機基本能夠實現有人駕駛飛行器的大多數功能，能夠攜帶有效載荷，可以執行運輸、航拍、監測、遙感測繪等任務，同時在能源供給充足的條件下可以連續飛行執行任務，無需進行人員的休息。無人機的這些優勢，促使無人機產業得到了迅猛的發展，根據相關數據，僅2014、2015、2016這三年的時間，中國無人機工業的規模達到了近53億元的產值，根據近年的增長速度，到2020年無人機產業將達到165億元的市場規模，發展前景廣闊。

2017年4月，教育部發布了2017年全國高校本科專業新增的審批名單，其中包含了7個與無人機相關的專業，說明國家對無人機相關技術領域的本科教育越來越重視。無人機的相關技術涉及面非常廣泛，是一個典型的交叉學科，包括空氣動力學、材料學、機電一體化、自動控制、人工智能等等，對于無人機系統而言，最為核心的就是無人機的飛行控制系統，通過對無人機控制系統的學習能夠使本科生將所學到的知識得到一個綜合的應用，對提高本科生的實踐和創新能力大有幫助。

1 課程工程教育實踐環節的必要性

1.1 課程對實踐的需求分析

對于大學生的本科教育而言，其中有一個非常重要也是必不可少的教學環節就是實踐教學。2007年，國家教育部發布了《教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》，在該意見中明確指出，要求全國的各個本科高等院校，要對實踐環節高度重視，培養和提高本科生的實踐能力。對于實驗、實習、畢業設計等環節，要進行大力的加強，并對教學中實踐環節的累計學分進行了量化規定，要求人文社科類專業的實踐環節累計學分應大于總學分的百分之十五，理工類應大于百分之二十五。通過對實驗內容和形式的不斷革新，提高本科生的動手技能，培養學生分析和解決復雜問題的能力。

無人機控制系統是一門實踐性很強的課程。首先，該課程是一門涉及到多個領域的交叉性學科，包括：“電路”、“模擬電子技術”、“數字電子技術”、“自動控制原理”、“通信原理”、“數字圖像處理”、“無線傳感器網絡”等多門學科，所以本課程在內容講授時較為抽象，理解難度大，具有較強的理論性，同時涉及到的知識點和知識面較寬，同時也比較考驗學生的基礎數學和物理的能力水平，所以如果只有理論教學沒有實踐教學，會使學生在學習本課程時較為困難，同時容易喪失學習的興趣。在對該課程的教學過程中，基于OBE工程教育模式，加強實踐教學手段，通過實踐教學，使學生更加直觀、具體的學習無人機控制系統相關內容，加深對知識體系的理解。其次，無人機系統在飛控調試方面，雖然可以在模擬器上進行調試，但最終還是需要在實際的無人機上進行飛行試驗，所以實踐教學不僅是課程本身教學的需要，同時，通過對無人機進行組裝和調試，加強學生的實際操作和動手能力，培養學生掌握一門無人機實際操作的技能。

1.2 課程對實踐的要求分析

根據無人機控制系統課程的特點，首先要達到加強學生對理論知識的理解，對基本控制方法的掌握；其次要將書本上所學的知識用于實際的問題當中；三是增強學生對無人機領域的興趣，對興趣較高，學習能力較強的學生進行專項培養，力爭培養出更多的專業人才。

在實踐教學的過程中，還要注重因材施教，因為學生的理論知識水平和興趣點有所不同，在進行試驗方案的設計時必須要兼顧較短時間和最大程度地使學生得到鍛煉。通過必要的實驗設備和實驗方案，結合無人機領域的發展現狀，在關鍵問題上充分發揮學生的主觀能動性和創造力，提高實踐教學的效率和水平。

2 課程的實踐方案設計

目前比較常見的無人機為多旋翼式無人機，這種類型的無人機結構相對簡單，易于控制，較固定翼無人機操縱靈活，機動性強，所以本方案選用四旋翼式無人機作為實驗對象。無人機控制系統當中，最關鍵也是最為核心的問題就是旋翼的控制，通過對旋翼進行控制，產生不同方向的升力，用于控制無人機的姿態和航向。根據此特點，鄭州航空工業管理學院電子信息工程專業建設了無人機創新實驗室，用于無人機控制系統課程的實驗。

在實驗設備的選擇上，根據當前國內無人機實驗設備的發展情況，并結合該課程的特點，對實驗設備進行了選型。首先在無人機的選擇方面，選定了四旋翼的無人機散件，學生通過對散件進行組裝，不僅鍛煉了學生的動手能力，同時可以幫助學生對無人機的結構進行全面的了解，為后續的實驗奠定良好的基礎。每一架同時配備有地面站，當無人機飛行時，地面站可顯示無人機的飛行狀態，實時傳輸飛行數據和圖像，如圖1所示。地面站通過與無人機間的數據傳輸，能夠直觀地使學生認識到無線通信技術和數據鏈相關的技術，并且通過對該技術的運用，培養學生實踐能力，加深學生對“通信原理”、“數字信號處理”等理論課程的理解。

“無人機控制系統”課程講授中，由于無人機旋翼控制方面最核心的知識是對電機的選擇和控制。電機控制旋翼產生升力和扭矩，控制每一個電機的轉速，就能夠對無人機的航向和飛行高度與姿態進行控制，同時不同尺寸的機架要配備不同馬力的電機，為了使學生對旋翼產生的升力和扭矩有一個直觀的認識和理解，同時便于測量旋翼產生的升力和扭矩對整個機體的影響，設計了飛行器動力系統拉力和扭矩測量系統。該系統的組成為高級電機、旋翼、電調、動力電池，其測試結果可用于系統方正建模，參數的獲取，以及校準動力系統參數，設備如圖2所示。

該測量系統采用，封閉式箱體設計，實現100%安全防護，箱體上開有氣孔避免外界因素對測量結果的影響。適配性設計保證適配各種型號的電機，不同的電機使用不同的夾具。帶有轉速傳感器，可以測量電機轉速，實時輸出轉速和拉力/扭矩曲線，學生可以根據采集的數據，用于四旋翼動力系統建模仿真的輸入建模參數。通過接口總線將測量拉力數據實時傳輸到上位機進行數據顯示、存儲和后續處理。通過動力系統拉力測量系統可以測量輸出PWM-轉速曲線，轉速-拉力/扭矩曲線和轉速-電流曲線等。

對飛控系統調試技術進行講解時，借助四軸調姿調參測試系統輔助授課。該系統主要是針對在四軸飛行器外場試飛之前，可以在室內進行簡單的束縛飛行試驗，從而在安全可靠，不易導致機體損壞的基礎上，初步摸底飛行控制算法是否有功能上的調試缺陷，該設備如圖3所示，該設備帶有全方位保護罩，實現安全防護，懸臂帶有角度傳感器，可實時將采集姿態信息顯示在系統外框顯示屏上，同時通過總線把采集實驗數據發送到上位機顯示并記錄，在工控上位機可實時顯示還原飛行器內部數據和狀態，并存儲數據，供后續分析使用。測試系統為初始中性穩態系統，最大程度還原實際飛行情況，最大限度實現與自由飛行狀態的無差別3自由度還原。

無人機飛行過程中，陀螺儀和加速度計是極為重要的核心部件，在飛行之前需要對該核心部件進行校準，微機電傳感器測量校準系統就是用來完成該工作。借助微機電傳感器測量校準平臺，檢驗測量校準飛控開發板板載的MEMS微機械傳感器元件的輸出數據，從而獲取傳感器數據的校準系數以及噪聲特性分析。校準平臺如圖4所示。

該校準系統的飛控板夾持式設計，適配各種尺寸的飛控系統。采用行星減速電機，精準控制各個軸轉動角度。帶有調平角度尺，保證測試時設備水平，測試參數真實有效。

基于OBE工程教育模式對“無人機控制系統”課程的授課形式進行設計，學生通過親自動手對無人機組裝調試，能夠保證學生對無人機控制系統核心部件有了一個深入的了解，同時可以根據實驗數據進行模擬仿真，對今后無人機控制系統的設計和開發奠定理論基礎。借助開源飛控芯片，對學習能力較強的同學，還可以通過自主設計和編寫飛控程序，應用已有設計平臺完成飛控程序的調試，使學生較為全面、系統和深入的學習無人機相關的知識，為“無人機控制系統”的理論教學提供幫助。

3 結束語

本文基于OBE工程教育模式，將無人機控制系統的理論教學與實踐環節進行有機的結合，使學生對無人機的發展，目前無人機的一些前沿科技有所了解，在學習控制理論的同時培養了學生的動手能力，對于有能力的學生，同時深入學習和訓練，可以使學生掌握一門前沿的技術，最終達到提高無人機控制系統課程和整個電子信息工程專業的教學質量。

本文受2017年教學調研基金“基于OBE的專業人才培養方案的重構與實施”（No. zhjxdy2017-11）及2017年度鄭州航空工業管理學院教育科學研究基金項目“電子信息工程（無人機方向）專業人才培養模式改革研究”（No. zhjy17-41）支持

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