基于智能無人機的航天器控制專業實驗教學改革

胥彪 馮建鑫 李爽

摘 要 航天器控制是航天專業的核心課程，主要研究航天器動力學與控制基本原理和方法。為適應國家建設航天強國新需要，培養航天專業人才，航天器控制課程需要緊密結合科技發展，對教學內容和方法進行調整和改革。研究引入人工智能和無人機發展的新技術，搭建智能無人機教學平臺，構建理論與實踐相結合的教學模式。根據課程教學內容，設計實驗內容，激發學生興趣，培養學生動手解決工程問題的能力，達到提升學生創新能力的效果。

關鍵詞 教學方法 實驗教學 航天器控制 人工智能 無人機

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

高等學校肩負著培養創新型高級專門人才的重任，為建設“航天強國”戰略，提供人才支撐。創新能力是培養航天人才的核心內容，是推動國家航天事業乘勝前進的關鍵途徑。創新實踐活動在知識的掌握和創造力形成中有著不可或缺的作用。實踐教學是培養學生創造性思維的強有力的保障。為適應國家發展航天事業和建設航天強國新需要，航天器控制課程需要緊密結合科技發展，對教學內容、教學方法進行調整和改革。

在航天器控制課程的理論教學中，主要闡述航天器導航、制導與控制的基本原理和方法，以及相關的運動學和動力學。傳統的理論教學比較抽象，缺乏理論聯系實際的橋梁，不利于培養學生對課程學習的興趣和解決實際工程問題能力。在教學中激發學生的學習主動性和創新意識，培養學生的動手能力、綜合知識應用能力是長期值得關注的問題。

目前人工智能和無人機是國內外研究的熱點與前沿。智能無人機是一個復雜的集成系統，涉及到飛行器設計、空間定位、路徑規劃、姿態控制、圖像識別等各方面的技術。一個功能完善的智能無人機是理解與應用航天器控制原理和方法非常實用的工具。因此，我們通過引入智能無人機領域新技術，搭建無人機硬件平臺，進行教學改革。

1傳統航天器控制教學的不足

航天類課程知識覆蓋面廣，具有知識點多、綜合性強以及與工程聯系緊密等特點。在日常的教學過程中，我們發現對于航天器控制教學環節存在一些不足：

（1）對于航天器控制來說，它包括動力學、敏感器，執行機構，控制系統，制導控制算法等。目前，教學實驗環節，大多集中在各個子系統部分，缺乏實驗平臺能夠將這些知識點很好地串聯起來。

（2）與實際應用聯系緊密是這門課程的特點之一。而教學中通常只停留在軟件仿真階段，與實際應用有著很大的不同。許多的控制方法，都有各自的有點和缺點，往往仿真到實際應用還有一段距離。并且學生不具備相關的工程基礎，很難將課堂教學的理論知識與工程實際相互聯系。

（3）航空航天技術是世界各個強國重點發展的領域，技術進步日新月異。許多新技術的發展，例如人工智能，也給航空航天提供了許多有挑戰、有價值的發展方向。因此，教學內容需要不斷與時俱進，更新迭代，而現有的教材和實驗內容都反應遲緩。

因此，需要在實驗教學中構建可以驗證課題所需理論知識的實驗平臺，將課堂教學中的知識點很好的串聯起來。在實驗平臺的構建過程中，需要緊密聯系當前研究的熱點與前沿知識，緊跟前沿知識的發展潮流。針對飛行器控制課程的特點和存在的問題，本文對其作了較為系統的分析和研究。基于四旋翼無人機，針對課程實驗教學內容、教學方法進行了改革。整個實驗包括四旋翼的基本運動方程、傳感器（慣組、聲納、氣壓計、相機）、狀態估計方法、等各個有機部分。然后在以上各個分系統的基礎上實現了路徑規劃問題、控制問題、圖像識別問題等。并充分利用與之相關的科研成果和演示平臺，供學生學習和操作。

2實驗教學和實驗平臺建設

學生學習了航天器控制基本理論知識以后，根據理論教學環節設置實驗內容。整個實驗內容主要包括：控制系統設計、圖像處理、仿真。建模及理論公式的推導可以參考理論教學部分。

2.1控制系統設計

無人機控制設計可以通過經典的PID控制、最優控制，自適應控制和非線性控制等控制方法實現。實驗教學可用經典的PID控制器設計為例，其它方法可以讓學生自由發揮。

一個典型的PID設計是通過構造測量值和期望值的誤差來實現控制。通過設計比例系數、積分系數、以及微分系數實現被控對象的控制。PID參數的整定就是合理的選擇PID三參數。從系統的穩定性、響應速度，超調量和穩態精度等各方面考慮問題。讓學生在動手過程中理解這三個參數的作用。比例參數的作用是加快系統的響應速度，提高系統的調節精度。積分作用參數的一個最主要作用是消除系統的穩態誤差。微分作用參數的作用是改善系統的動態性能，其主要作用是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。在控制系統設計過程中，先不考慮圖像識別獲取路徑參數的問題，跟蹤指令可以采用典型參考輸入信號函數生成。

2.2圖像處理

利用無人機的攝像頭拍攝信息，對圖像進行處理。實驗中需要提取圖像的顏色特征，在圖像輪廓信息不明顯的情況，在實驗教學中主要提供2種圖像處理方案。一種方案是識別出圖像的輪廓。首先將無人機拍攝的圖像進行灰度處理降噪。然后將圖片進行亮度調整以及濾波處理。最后提取最大聯通區域，用于軌跡跟蹤。第二種方案是提取圖像的顏色特征，在圖像輪廓信息不明顯的情況，我們可以采用這種方式。

2.3仿真

教師首先提供建立好的仿真系統，并且是可以閱讀可以修改。學生作為一個初學者，一開始并不需要手動搭建大系統，只需要修改各個子系統然后完成軟件仿真。仿真結果正確后，將Matlab仿真程序通過USB接口部署到無人機實物上。所有的子系統，仿真系統，實物平臺，均提供已調試成功演示范例。建立便于學生入門和理解的實驗平臺，幫助學習理解、消化相關的理論知識，做到理論與實踐相統一。

3實驗教學方法改革

與一般實驗課不同，本課程可以充分利用課上和課下業余時間。在課程開始階段，將學生分成若干小組，采用小組競賽的模式，給定一條跟蹤路徑，讓每個小組通過邊學習，邊動手動腦做的方式，給出自己設計方案。學生可以根據實驗競賽任務，理解任務指標，設計合理的子系統，并閱讀修改程序，做到真正自己動手完成仿真到實物調試。

從教學效果上來看，通過該門課程的學習，學生不僅掌握了理論知識，而且還增強了動手能力。更重要的是，激發了對于航天課程學習的興趣。目前，已有學生通過本門課程學習后，參加了中國研究生未來飛行器創新大賽，并獲得了獎項。

4結語

航天技術是強國綜合國力的體現，標志著一個國家科學技術水平。雖然航天器控制是一門較為傳統的課程，但是它的實驗教學內容應該隨著科技的進步不斷改進和完善。本文在分析了航天控制學科教育存在的問題的基礎上，通過引入人工智能和無人機領域研究的成果，搭建智能無人機實驗教學平臺，改進和完善了航天器控制實驗教學內容。讓學生能夠從子系統到軟件仿真再到硬件調試的整個流程中，學到航天器控制基本理論和方法。通過引入目前研究熱點與前沿技術，激發了學生的學習興趣，培養了學生動手能力和終身學習的良好習慣。

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