面向本科生教育的無人機系統設計與綜合實踐教學探索

王祥科 李杰 祝建成

摘? 要：探索并建立一門理論結合實際的無人機系統設計與綜合實踐教學課程，對于辦好無人機專業方向本科生教育具有十分重要的意義。該文結合本科生教育教學特點，提出了一種基于當下主流的開源軟硬件思想和通用的機器人操作系統來構建無人機實驗系統和實踐環節的基本方法。介紹了基于開源軟硬件構建多旋翼無人機實驗系統的基本組成，并提出了無人機三軸姿態平臺設計、無人機反恐偵察監視任務設計、無人機智能自主控制拓展實驗設計三階段實踐教學設計方法。為無人機專業本科生融會貫通無人機原理與運用、無人機自主飛行控制、無人機任務規劃、無人機地面站技術等專業理論知識提供了一種有效的實踐教學方法。

關鍵詞：實踐教學? 無人機系統? 本科生教育

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機，或者由車載計算機完全地或間歇地自主地操作。全球約有80%的無人機為軍用無人機，用于偵察、作戰、運輸物資等;全球有11%的無人機為民用無人機，用于航拍、農業植保、電力巡航等[1]。

無人機系統設計與綜合實踐課程融會貫通課程體系下的“無人機系統導論”“無人機自主飛行控制”“無人機任務規劃”等課程。課程選用當前最流行的開源軟硬件思想（如Pixhawk開源自駕儀[2]）和最通用的機器人操作系統（Robot Operating System，ROS[3]）來構建實驗原型系統，使得學生掌握快速搭建無人機系統的方法，并鼓勵學有余力的學生通過讀懂源碼或電路圖來“所見即所得”地了解系統運行原理，也可以為控制專業本科生提供一個極佳的控制對象開展研究，也為其完成本科畢業設計甚至步入研究生教育奠定了極好的基礎。

1? 基于開源軟硬件構建多旋翼無人機實驗系統

課程選取目前最為主流的設計理念，以Pixhawk開源自駕儀為核心器件，基于機器人操作系統通用架構，開展無人及實驗系統構建，具體包括機械系統組裝與調試、電路系統連接與調試、地面站配置與調試、機—站—鏈集成與調試、飛機控制參數整定、外場飛行試驗、外場任務試驗等具體內容。構建的無人機實驗系統主要包括多旋翼無人機平臺（Multi-rotor UAV）、自駕儀（Autopilot）、地面站（Ground Station），空地數傳/圖傳鏈路（Datalink）以及云臺、相機等。

1.1 Pixhawk開源自駕儀

課程采用消費級開源自駕儀Pixhawk，該款自駕儀采用32位STM32F427 ARM Cortex M4內核、32位STM32F100 ARM Cortex M3故障保護協處理器、Invensense MPU6000三軸加速度計/陀螺儀、ST Micro L3GD20 16位陀螺儀、ST Micro LSM303D 14位加速度計/磁力計、MEAS MS5611氣壓高度計等核心器件，并采用余度設計思想，主要功能涵蓋飛機狀態測量、自動飛行控制、自動導航定位等。

1.2 QGroundControl開源控制站

QGroundControl開源控制站是美國3DR（3D Robotics）公司為ArduPilot或PX4驅動的無人機配套的開源無人機控制站軟件，主要用于固件刷新、自駕儀校準、飛機控制與監視、航路規劃與加載等。目前，支持ArduPilot（ArduCopter、ArduPlane、ArduRover、ArduSub等）和PX4 Pro（multi-rotor、fixed-wing、VTOL等）等，支持使用MAVLink通信協議的自駕儀（ArudPilot、PX4 Pro、 PIXHAWK），支持Windows、OS X、Linux、iOS、Android等跨平臺設計。

1.3 空-地通信鏈路及其協議

課程以面向北約無人機互操作性的無人機控制系統標準化接口（Standard? Interfaces of UAV Control System （UCS） for NATO UAV Interoperability， STANAG 4586[4]）為基礎，介紹典型無人機數據鏈通信消息傳遞方式和數據鏈消息通信機制，重點突出周期型消息、事件觸發型消息、請求型消息和響應型消息這4類消息的通信機制。解析并對比分析了STANAG 4586通信協議和該實踐課程所采用的MavLink通信協議的異同點。

2? 無人機系統設計與綜合實踐環節設計

2.1 無人機三軸姿態平臺設計

課程設計并制作了無人機三軸姿態平臺，包括俯仰、偏航、滾轉3個通道的自由度，用于學生在無人機首飛前測試無人機姿態控制能力，具體過程為：安裝槳葉，判斷槳葉正反、電機轉向、重心測試、機臂水平測試等正確性，再判斷姿態穩定性，調試整定PID參數，觀察無人機油門通道、俯仰通道、偏航通道以及滾轉通道的響應性能。

2.2 無人機反恐偵察監視任務設計

課程圍繞無人機典型反恐偵察監視任務，設計了反恐偵察監視任務剖面。其具體任務為：接上級通知，一枚疑似炸彈被恐怖分子安放于一輛汽車側面，要求派無人機抵近查證。課程在特定位置放置一個標簽（標簽上注明T或F）用于模擬疑似炸彈，要求學生編輯飛行航路加載至無人機，由一名學生手控無人機起降至指定位置，切換無人機至“任務（Mission）模式”，無人機沿航線自主飛行至目標區域懸停，由另一名學生操縱云臺和相機拍攝標簽紙上的字幕，通過圖傳地面終端判斷目標真偽（T或F）。

2.3 無人機智能自主控制拓展實驗設計

為進一步激發學有余力學生的創新能力，同時為本科生畢業設計奠定實踐基礎，課程結合人工智能和控制理論，指導部分學生自主設計并集成智能控制算法、智能導航算法、智能規劃算法等智能算法。為學生提供ARM嵌入式開發板（系統內稱為上位機）用于開發無人機智能自主控制算法，以Offboard模式驅動Pixhawk自駕儀完成自主飛行控制、自主導航和自主路徑規劃等任務，上位機依據不同任務解算出無人機期望的位置、速度或者姿態，通過串行線路且遵循Mavlink通信協議同自駕儀連接，MavROS或Dronekit提供應用程序接口。

3? 結語

該文介紹了國防科技大學無人機工程方向探索本科生無人機實踐教學經驗，提出了一種基于開源軟硬件思想和通用的機器人操作系統快速構建無人機實驗系統的方法，并設計了無人機三軸姿態平臺、無人機反恐偵察監視任務、無人機智能自主控制拓展實驗等三階段綜合實踐環節，為無人機專業本科生融會貫通無人機系統專業理論知識提供了一種有效的實踐教學方法。

參考文獻

[1] DAMIEN WOLF，宋丙坤，譚春波.2018年無人機產業發展趨勢[J].中國新通信，2018（8）：109.

[2] 趙航，王立峰.基于Pixhawk的多旋翼無人機避障飛行系統研發[J].動力系統與控制，2017，6（3）：98-108.

[3] 梅武軍，伍家成，楊揚戩，等.基于ROS系統的多旋翼自主飛行控制系統[J].電子科技2017，30（7）：106-109.

[4] 曲東才，陳偉良，陳琪，等.無人機控制站交互性操作的標準化接口技術[J].飛機設計，2006（2）：36-40.