依托微型飛行器大學生創新性實驗計劃項目 提高航空專業學生自主創新能力

張永杰　趙志彬　張曉化　王海濤

摘? 要：依據國家航空專業創新人才培養要求，依托國家大學生創新性實驗計劃項目，以新型微型飛行器為題，初步探討了實驗計劃項目實施過程中自主創新意識培養、創新團隊組成、微型飛行器設計制作、專業素養培育等問題，總結了項目指導過程中的一些經驗做法和收獲，期望對航空專業學生的自主創新能力培養有所裨益，能夠為航空創新人才培養模式改革提供有價值的參考。

關鍵詞：微型飛行器;大學生創新性實踐項目;航空專業學生;自主創新

中圖分類號：G640? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2020）23-0039-04

Abstract： According to the training requirements of national aviation professional innovative talents， relying on the National University Students' innovative experimental program， taking the new micro air vehicle as the topic， this paper preliminarily discusses the cultivation of independent innovation consciousness， the composition of innovation team， the design and manufacture of micro air vehicle， the cultivation of professional quality and other issues in the implementation of the experimental program. Moreover， some experiences and gains are summarized during the project guidance process. It will be hoped that these experiences and gains can be helpful to the cultivation of independent innovation ability of aviation students and provide some valuable reference for the reform of training mode of aviation innovative talents.

Keywords： micro air vehicle; innovative practice project for college students; aviation students; independent innovation

一、概述

近年來，隨著國家大學生創新性實驗計劃項目的實施和不斷推進，許多高等院校以此為契機，開展了大量創新性實驗計劃項目[1-5]，成績斐然。大學生們結合各自專業特點和興趣愛好，選擇合適的題目，在兩年時間內完成計劃項目內容。該項目由國家教育部和學校聯合資助，院系提供支持條件;通過定期組織項目進展匯報、成果展示以及經驗交流等活動[6-9]，評選出優秀的計劃項目予以獎勵，并推薦到“全國大學生創新論壇”。該項目極大促進了大學生創新實踐能力的培養[10，11]，也為大學生提供了一個展示創意和才華的舞臺。

本文探訪了西北工業大學航空學院近十年來所開展的國家大學生創新性實驗計劃項目的部分指導教師，并對其中幾個典型微型飛行器項目的指導過程進行了調研和剖析，初步總結了指導過程中的一些經驗做法，期望為航空專業學生的創新能力培養提供一些有價值的參考。

二、以新型微型飛行器為題 引導學生自主創新

微型飛行器具有結構簡單、便于攜帶、控制靈活、成本低、易于實現等諸多優點，在軍用和民用領域都極具應用價值，能夠完成偵查、定位、勘探、救援、危險環境監測等多種復雜飛行任務。近年來，隨著新型材料、微電機、微慣導以及飛行控制等技術的進步，很多國家都研制出了性能優異的微型飛行器，尤其以美國、德國、日本等國發展最為迅速。雖然我國在微型飛行器方面的研究起步稍晚，但是在微電機和飛行控制等領域已具有國際領先技術水平。

結合西北工業大學的航空專業特色，以新型微型飛行器的設計制作作為國家大學生創新性實驗計劃項目是非常理想的，不僅具有一定的實際應用價值，而且有利于學生將所學的專業知識應用于實踐，激發學生的自主創新意識。從選題到設計、制作、試飛等各個環節，指導教師應為學生搭建一個實現創意的舞臺，鼓勵學生發散性思維、多角度思考，敢于嘗試、勇于探索新的設計思想，提出自己的奇思妙想;積極引導學生將所學的專業知識活學活用，不斷改進完善設計思想、精益求精。在微型飛行器的創新實踐過程中，要始終以學生為主體，強化自主意識，使其由學習創新轉變為自主創新，真正提高學生的自主創新能力。

三、機電結合 跨專業組隊 發揮團隊創造力

制作一個成功的微型飛行器，需要綜合運用飛行器總體設計、氣動外形設計、結構設計、動力裝置選配、電子與控制組件設計等多學科知識，所以一個成功的創新團隊應該是一個多學科多專業的有機組合，充分發揮各自專業優勢，實現精細化設計和模塊化制作的目標。由于所涉及的專業分屬不同的學科和院系，所以機電結合、跨專業組隊是最佳選擇。

按照西北工業大學的專業和院系設置，飛行器總體設計、氣動外形設計、結構設計等工作可由航空學院飛行器設計與工程專業學生承擔，動力裝置選配工作可由動力與能源學院飛行器動力工程專業學生承擔，電子與控制組件設計工作可由自動化學院的自動化專業學生或航空學院的飛行器控制與信息工程專業學生承擔。當然，想要最大程度地激發出學生的集體創造力，還需要根據實際情況合理地調整團隊組成和專業分工，以達到協作創新的目的。例如，飛行器設計與工程專業的學生若在航模遙控、單片機設計等方面有豐富的經驗，便可讓其承擔電子與控制組件的設計工作;同樣如果自動化專業學生在翼面制作、電機裝配等方面動手能力很強，也可安排其承擔微型飛行器的機體設計和制作工作。不必過分強調專業分工，要根據學生的特長與興趣安排具體工作，這樣更容易發揮學生的主觀能動性。例如，嘗試讓學生依據自己的特長、興趣自行組隊，成員間互相熟悉、配合默契，容易形成愉快的團隊氛圍，充分發揮團隊協作優勢。

四、由試制到試飛 循序漸進 激發學生創新意識

與真正的飛機研制相比，微型飛行器的設計制作簡單得多，但是它們的研制過程是相似的，都要遵循由簡到繁、循序漸進的原則。對于新型微型飛行器而言，試制是一個非常重要的基本環節，通過原型機的試制，學生能夠發現前期設計的優缺點，及時改進不足;讓學生在解決實際問題的同時，充分體會到飛機從設計到制造過程中的反復與艱辛，培養他們追求卓越、勇于進取的精神。

雖然通過原型機的試制已經暴露和改進了原有設計的不足，但是微型飛行器研制的成功與否還要由試飛來驗證。總體布置是否合理？機體重量和結構強度是否滿足要求？動力裝置輸出功率是否滿足升力要求？整機的平衡和穩定性如何？電子與控制組件的協調性和靈敏度怎樣、能否滿足操控性要求？等等這些關鍵性的問題都需要在試飛過程中驗證和解決。盡管學生們已對微型飛行器進行了初步結構強度校核、重量配置以及仿真模擬分析，然而實際制作過程中的加工精度、安裝精度、測量工具等諸多因素都會影響制作質量和試飛效果。例如，下圖5（a）所示“微影”微型飛行器的原型機，由于前期設計和試制過程中沒有考慮電機安裝的配平問題，導致機體重心偏移、試飛側翻;在改進設計中將每個電機固定在其對應的螺旋槳下部，修正了重心位置，防止了側翻。另外，原有設計中并未考慮突風對飛行的影響，而在改進的設計中通過添加外部平衡翼增強了抵抗突風的能力、提高了飛行穩定性;改進機型如圖5（b）所示。誠然，從試制到成功試飛是在不斷發現問題、解決問題、改進設計的迭代過程中實現的，學生將所學的專業知識靈活地運用到解決實際問題中，不僅加深了對飛機研制過程的認識，而且激發了他們的航空熱情。從試制到成功試飛，每一次新發現和新認識，都是他們細致觀察和積極思考的展現，每一次改進和完善，都是他們自主創新的收獲。

五、依托學科專業環境 提高學生專業素養

在新型微型飛行器的設計制作過程中，學生需要許多軟硬件設備和實驗室資源，除了本科生和研究生的創新基地外，指導教師應依托所在學科的專業環境，盡可能為學生提供所需的軟硬件支持，鼓勵學生積極參與科研活動，使學生有一個完整做科學研究的經歷，提高其專業素養。

仿真計算分析是現代飛機設計的重要技術手段，讓學生學習一些常用的仿真計算軟件，能夠提高微型飛行器的設計水平，也有利于加深學生對專業知識的認知。例如，在“微影”改進機型控制系統設計中，指導教師利用教研室單片機編程和測試工具，指導學生編寫了飛行姿態反饋控制比例-微分（proportion-differentiation，PD）算法[12]，并將其應用于“微影”改進機型的飛行姿態控制[12]（控制流程如圖6所示），效果顯著（該成果已經發表于《機械科學與技術》，并被多次引用）。另外，在微型通用垂直/短距起降無人機[13]（如圖7所示）設計中，指導教師指導學生學習了動力學分析軟件，對螺旋槳旋轉機構進行了優化設計，解決了垂直起降時旋轉機構的剛度不足問題;通過垂直/短距起降無人機動力系統的分析計算，初步驗證了基于升力風扇系統的垂直/短距起降技術在固定翼無人飛行器上應用的可行性，為此類無人飛行器的設計研發提供了有價值的技術參考[13]。此外，從元件加工到試驗測試等諸多環節，指導教師可以依托所在實驗室和創新基地的設備條件給學生提供支持，不僅提高了學生的實踐能力和專業素養，而且有利于激發學生的創造潛力。

六、結束語

航空創新人才培養一直是航空專業院校的主要任務之一，依托國家大學生創新性實驗計劃項目，結合航空專業特點，以新型微型飛行器作為實驗計劃項目，從選題到設計、制作、試飛等各個環節，啟發和鼓勵學生的自主創新意識;培養學生戰勝困難、勇于進取的精神和航空報國的崇高理想，不斷探索航空創新人才培養的新模式，提高航空專業大學生的自主創新能力。

參考文獻：

[1]彭偉，張繼生，陶愛峰，等.大學生創新創業訓練計劃的實踐與思考——以河海大學港口，海岸及近海工程專業為例[J].大學教育，2018，8：29-31.

[2]李翔宇，陳榮.指導大學生創新性實驗計劃項目的體會和建議[J].教育教學論壇，2018，30：279-280.

[3]邵進，董婷，王唯.大學生創新性實驗計劃“項目指導教師評價考核研究”[J].高等理科教育，2013，6：46-49，76.

[4]姚瑰瑋，李娟，艾朝暉，等.指導大學生創新實驗訓練計劃項目的經驗與思考[J].廣東化工，2018，45（18）：219-220.

[5]喬連全.我國研究型大學“大學生創新性實驗計劃”的現狀與反思[J].高等教育研究，2011，3：81-87.

[6]趙璐，李洪濤，曹以.大學生創新創業訓練計劃的實踐與思考[J].實驗科學與技術，2019，17（2）：148-151+166.

[7]張友琴，王萍，朱昌平，等.以大學生創新性實驗計劃為契機培養創新型人才[J].實驗技術與管理，2011，28（7）：167-170，212.

[8]信麗華，嚴浩南，許佳伊.無舵雙螺旋槳微型船舶設計與制造——大學生創新項目建設的探索[J].教育教學論壇，2010，9：23-23.

[9]潘涌璋，唐啟紅，張秋明，等.大學生創新性實驗計劃項目管理模式探討[J].實驗技術與管理，2012，29（6）：146-149.

[10]王帥帥.大學生創新創業訓練計劃項目的實踐分析[J].教育教學論壇，2018，28：145-146.

[11]鄧曉蓓，華麗，王文立.大學生創新訓練計劃的實踐和思考——指導本科學生科研項目體會[J].教育教學論壇，2019，17：229-231.

[12]侯永鋒，陸連山，高尚德，等.基于PD算法的四旋翼飛行器控制系統研究[J].機械科學與技術，2012，31（3）：359-362.

[13]王華飛，陳勇，陳圓圓.基于升力風扇系統的垂直/短距起降技術在固定翼無人飛行器上應用的可行性分析[A].第五屆中國航空學會青年科技論壇文集（第5集）[C].2012.