創新創業背景下基于四軸無人機的海上救援系統創新實驗設計

龐 泳 宋傳旺 劉 芳 金作東

（青島理工大學 信息與控制工程學院，山東 青島266000）

1 概述

《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》明確指出當前高等教育在創新創業教育方面存在重視度不夠、與專業結合不夠緊密并且針對性和實效性均不到位。為適應創新創業新形勢和當前新工科背景，工科學生的創新創業教育水平亟待加強。如何為學生提供一個針對性強、實用性強、對工程實踐能力有切實提高的針對性課程是當前高等教育需要考慮的一個問題。

2 創新實驗項目的確立

現有的實驗項目大多是針對單一課程進行設計，無法滿足當前社會創新創業的要求。通信學科更多偏向培養學生弱電方面的電路設計、嵌入式應用開發和信號處理方面的能力，在強電方面的培養力度相對較弱，這也使得部分學生在步入社會上無法較好的適應控制方面的工作。自動化本科教育培養方案中的《自動控制理論》課程中涉及到PID 算法能夠較好的應用在各種常見的工程項目中，也能夠較好的配合《信號與系統》、《單片機原理及應用》課程。

文獻[1，2]中提到的項目驅動式新型教學方法能夠將傳統教學模式中的“教師主導”轉變為新型“學生主導”，能較好的發揮學生的主觀能動性。四軸無人機的結構相對簡單、容易上手操作，對于本科生實驗有可行性，也能緊跟社會潮流。所以可以將該實驗項目設置成基于四軸無人機的項目驅動式創新實驗項目。當前無人機基本都是在高空中進行作業，缺少在海洋方面的應用，本文以創新實驗室為依托，通過學科融合為本科通信類學生提供基于四軸無人機的海上救援系統這一創新實驗項目。該項目既能培養學生們的創新意識、創新觀念，又能增強學生的工程實踐能力。

3 創新實驗項目的開展

基于四軸無人機的海上救援系統創新實驗項目可以分為無人機部分和海上救援部分內容。其中，無人機部分是海上救援系統部分的前提和基礎，只有高精度、高可靠性的完成無人機的各種操作，才能為海上救援部分提供可能；而海上救援部分則是無人機部分的功能延伸和具體應用實踐。

3.1 傳授理論知識——夯實基礎

基本的理論知識是學生開始了解并有興趣實現基于四軸無人機海上救援系統的前提。相關理論知識的講授對于沒接觸過項目開發的學生是非常必要的。無人機傳感器搭載、無人機圖像傳輸、無人機位置處理以及無人機姿態調整分別對應《單片機原理及應用》、《信號與系統》、《自動控制理論》和《傳感器與檢測技術》課程。海上救援部分則主要用到傳感器相關知識，也是《單片機原理及應用》課程中的相關知識。

在理論講授階段，學生們主要能夠了解并掌握常見單片機的使用方法、幾種常見傳感器工作原理和使用方法、數據傳輸和圖像傳輸的種類和特點等知識，并針對通信學科接觸不到的自動控制PID 算法進行詳解講解。PID 控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的[3]。

3.2 加強工程素養——動手實踐

要解決“無人機如何飛得穩”這個問題就需要確定如何通過選取一種或者幾種合適的定位傳感器來獲取無人機的當前飛行高度，如何引入閉環系統通過PID 調節來保證無人機始終能夠飛行在理想高度并能實時自適應調節減小飛行抖動不至于飛機因為隨機干擾跑飛。該創新項目中無人機飛行高度的獲取利用了氣壓計和激光測距傳感器模塊得到飛機的高度值。

要解決“無人機如何飛得好”這個問題就是要解決無人機在飛行同時如何搭載應用類傳感器進行任務作業的問題。通過搭載GPS 和光流傳感器能夠獲得飛機自身的水平位置坐標，通過搭載激光傳感器結合勢場法能夠獲得自身與其他障礙物的距離實現自動避障[4]。無人機搭載紅外傳感器等生命體識別設備能夠實現特殊場景的生命體識別，例如：海上生命題識別。除了搭載傳感器，無人機還能搭載相關執行設備去完成特定任務，如搭載相關救生設備在檢測到生命體時，進行救生設備定點投遞相關操作等。

海上救援部分則是通過無人機搭載相關生命體檢測傳感器和救生設備來實現。

學生通過頭腦風暴最終決定采用TM4C123G 芯片，與電機、電調、MPU6050、超聲波傳感器、光流傳感器、OpenMv 攝像頭等模塊一起構成基于四軸飛行器的海上救援系統。

3.3 特色學習形式——多種形式共同推進

在創新實驗課程開展的過程中，我們通過理論講授和學生動手實踐并行執行、“導師負責制”兩種形式教學共同推進該創新實驗課程的進行。

在講授無人機常見結構和工作原理部分，鼓勵學生安裝無人機機架、確定相關電調、電機和槳葉；講授單片機部分時則召集學生討論確定無人機的芯片并鼓勵學生們進行實際調試；對傳感器的工作方式進行理論講授時，則讓學生同步進行多種傳感器的調試使用等等。

文獻[5]中提到電子信息類創新人才培養過程中可采用跨年級協同的培養方式，通過“以老帶新”來實現整個學生創新團隊的可持續發展。本文提出的“導師負責制”的教學方法和文獻[5]有異曲同工之妙。整個創新實驗課程改革團隊的教師和個別高年級學長作為負責制的導師，采取分組負責制，由每位導師來負責把握小分組的整體進度、實時鼓勵、督促并答疑解惑。“導師負責制”使得該創新實驗項目能夠做到因材施教。

4 創新實驗項目的教學成果分析

學生自己組裝的四軸無人機能夠在模擬的目標域進行巡航，當傳感器檢測到生命體后，將該生命體的地理位置通過數據傳輸方式傳輸到地面數據基站，將攝像頭拍攝到的實時畫面通過圖像傳輸傳送回地面數據基站，并向生命體投放救生設備。

該創新實驗項目結束后，相關同學也參與了2019 年全國大學生電子設計大賽當中。共有33 位學生參賽，12 位同學獲得國家一等獎，6 位同學獲得國家二等獎，9 位同學獲得省級一等獎，其中，國家獎項的獲獎率高達到54.5%。學科競賽的優異表現也側面證明了此次實驗項目能切實提高學生的動手實踐能力。

5 結論

在高校開展創新創業教育不僅是為了滿足《關于深化高等學校創新創業教育改革的實施意見》對高校教育的要求，更是為了培養大學生創新意識。本文通過多學科融合，提出基于四軸無人機的海上救援系統創新實驗項目。通過教師理論教學結合學生動手開發實踐，并創新性引入“導師負責制”，該創新實驗項目取得了較好的教學成果，很大程度的提高了學生動手實踐的積極性，也有效提高了學生的工程實踐能力，符合當前高新創新創業教育的要求。今后，應當繼續緊跟時代，結合當前社會熱點，抽象出可針對大學生工程實踐用的創新實踐項目進一步完善教學方法，以便取得更好的教學成果。