基于四旋翼無人機的課程實踐教學

郁劍　張秋浩　鎮毅

摘 要

為了更好地提高高校學生對前沿科技的了解，同時，增強學生的實際應用實踐能力，把學科前沿技術四旋翼無人機實踐內容引入到課程實踐中。本文介紹了基于四旋翼無人機課程實踐的具體內容及實踐過程。實踐課程要求學生組隊并通過團隊合作完成一項基于四旋翼無人機的實踐項目，培養學生在實際應用實踐中自主求知的能力。課程實踐結果表明，學生不僅掌握了基本的四旋翼無人機的基本結構性能等知識和設計方法，而且通過自主學習，能根據具體問題提出有針對性的解決方案，提高了學生的實際應用實踐能力。

關鍵詞

四旋翼無人機;課程實踐;實際應用實踐能力

中圖分類號： G642;V279-4 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.032

0 引言

四旋翼無人機[1-7]是當前社會是一個很新潮的電子設備，并且四旋翼無人機的應用也很廣泛，尤其是對于民用領域特別是娛樂領域，四旋翼無人機都有它的用武之地。雖然，四旋翼無人機已經發展了幾十年，但是，由于技術等因素，直到二十一世紀，隨著科學技術的不斷發展以及各種新型控制器、傳感器的出現， 四旋翼飛行器才再次進入人們的視野。并且國內的很多高校都開設了無人機相關專業或課程，或者把四旋翼無人機嵌入到相對應的課程實踐中，讓學生通過課上學習實踐更多地去認識四旋翼無人機，并對其工作原理等有所了解，為后期學習四旋翼無人機或是工作打好基礎。目前，高校四旋翼無人機的研究主要可以分為以下三類：

（1）遙控航模四旋翼飛行器。

（2）小型四旋翼飛行器。

（3）微型四旋翼飛行器。

四旋翼無人機是一種通過程序命令[6-7]、自主完成任務的無人飛行器，通過在四旋翼無人機上安裝視覺模塊，可以實現航拍、監控、測繪等功能。基于四旋翼無人機的實踐課程要求學生組隊并通過團隊合作完成一項基于四旋翼無人機的實踐項目，培養學生在實際應用實踐中自主求知的能力。課程實踐結果表明，學生不僅掌握了基本的四旋翼無人機的基本結構性能等知識和設計方法，而且通過自主學習，能根據具體問題提出有針對性的解決方案，提高了學生的實際應用實踐能力。

1 課程實踐內容

1.1 四旋翼無人機介紹

目前市面上四旋翼無人機的設計平臺很多， 但可以用于高校學生學習的平臺就很少了。并且基本上四旋翼無人機的飛控核心代碼是不開源的，這對學生學習實踐是很難。基于電子設計競賽的平臺，利用傳統的四旋翼無人機模型，借助TI公司的C2000 Launchpad作為飛控板以及樹莓派視覺模塊實現四旋翼無人機設計平臺。

四旋翼無人機設計平臺主要包括機架（機身、機臂、起落架）等、動力系統（電機、電調、電池、螺旋槳等）、指揮控制系統（飛控板、視覺模塊、遙控器、接收機、地面站等）、傳感器系統（加速度計、陀螺儀、磁力計、超聲波傳感器、氣壓計等）等。設計平臺的基本框圖如圖1所示。飛控的主控制器采用的是TI公司C2000 Launchpad。視覺模塊采用的是樹莓派底板搭配一個800萬像素的單目攝像頭，樹莓派地板是4核 1.2GHz，可以滿足很多需求，從而不需要雙目攝像頭。

1.2 四旋翼無人機的基本設計

飛行姿態的控制：采用“×”字模式，如圖2所示，Pitch和Roll與1，3、2，4兩組電機呈45°夾角。相比十字模型，這種結構更為穩定，即通過控制兩組電機來控制飛行器的運動。主要有六種飛行狀態：垂直運動、俯仰運動、翻滾運動、航向運動、前后運動、左右運動。

控制原理：“×”字模式的四旋翼無人機每個對軸由四個電機同時控制，根據電機序號的標定，將3個歐拉角的控制量分解到4個電機上，高度的控制量4個電機是一致的，最后需要給每個電機加上一個油門基礎量。

傳感器的設計主要包括陀螺儀、加速度計、磁力計等的設計。陀螺儀可以測量角速度，具有高動態特性，但是它是一個間接測量器件，它測量的是角度的導數：角速度。加速度計是測量運載體線加速度的儀表。在飛控系統中，加速度是重要的動態特征校準元件。當物體處于靜止狀態時，加速度計測量出來的值就等于重力加速度 1g;當系統在三維空間做變速運動時，它的輸出為軸向的加速度和重力加速度的分量，這就不能準確用于計算物體的姿態和運動狀態。磁力計可用于測試磁場強度和方向，定位設備的方位，磁力計的原理跟指南針原理類似，可以測量出當前設備與東南西北四個方向上的夾角。

無人機姿態表示的方法有很多種，比如歐拉角、四元數、DCM，各有的各的優勢。較成熟的姿態解算算法中，主角還是角速度和加速度，磁力計只起到矯正糾正的作用。

1.3 四旋翼無人機的設計實例

利用四旋翼無人機實現黑點懸停功能。實現無人機懸停在黑點上，首先要通過視覺模塊檢測到黑點，通過視覺模塊返回的像素點計算出黑點距離相對飛行器中心的距離，然后根據計算出的距離進行PID控制，最終使無人機平衡地懸停在黑點上。這是一個不斷檢測，不斷進行控制調節的過程。

黑點檢測用的是霍夫圓檢測函數，視覺模塊上搭建了opencv3開發環境，采用python語言編寫視覺處理程序。將找到黑點的中心坐標像素點聽過串口發送到飛控板上，飛控板接收后，通過小孔成像的原理將像素點轉換成實際的距離，然后將得到的距離送入位置PID函數，從而得到目標pitch和roll再送入姿態控制PID函數，然后將最終得到的控制量分解到四個電機上，再將控制量送入PWM輸出函數里，從而控制飛機的運動。

實驗現象是飛機起飛，快速地識別黑點，然后調整自己的姿態和位置，最終懸停在黑點上。

2 結束語

在課程實踐過程中，學生的興趣被調動，通過動手操作飛機、軟硬件編程、解決問題，不斷提出自己的想法和意見。本課程實踐主要面向電子信息工程專業大三學生開設的。該年級學生已學過相關的基礎及專業基礎課程，并有一定的編程基礎，但是在控制理論方面基礎薄弱。因此，課后學生通過自主學習，了解并基本掌握飛行姿態的控制、傳感器的設計及相關控制原理等方面的知識。同時，能根據具體問題提出有針對性的解決方案，提高實際應用實踐能力。

參考文獻

[1]溫凱等.全尺寸四旋翼無人機教學平臺設計與課程開發[J].實驗技術與管理.2018，9（35）：100-103.

[2]王剛等.四旋翼無人機控制理論與設計課程實踐教學[J].實驗科學與技術.2018，16（2）：74-77.

[3] 魏元焜，等.基于STEAM 教育的無人機編程課程設計[J].電子制作.2018，10：68-70

[4]朱振豪，等.電子技術應用專業開設無人機課程探索[J].電子世界.2018，10：91-93

[5]曾舒婷，等.高等學校無人機課程的跨學科教學研究[J].電腦知識與技術，2018，14（29）：168-169

[6]蔡鑫，等.四旋翼無人機自主循跡系統設計[J/OL].電光與控制.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/ 41.1227.TN.20190624.1659.044.html

[7]劉佳，等.固定翼無人機在線航跡規劃算法[J].計算機應用.http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1307.TP.20190731.1412.008.html.