無人機系統本課實踐類課程設計與建設思考

馬兆偉 賈圣德 牛軼峰 吳立珍

（國防科學技術大學 湖南·長沙 410073）

0 引言

近年來我國對無人機裝備日益重視，是加快軍事智能化發展的重要體現。近年來，無人機系統的廣泛應用引發各國軍事領域的關注，無人機相比有人戰斗機具有以下優勢：

（1）無人機系統以任務為中心設計，不必考慮乘員需求。無人機相比有人戰斗機可具有更高的過載機動能力，不僅可以快速取得攻擊優勢，同時大大降低被敵方殺傷概率，極大地提高了生存力和作戰效能。

（2）研制和使用費用降低，作戰效費比高。無人戰斗機的研發和生產成本大約為同樣性能的有人戰斗機的三分之一，操作和維護費用大約只為有人戰斗機的四分之一。

（3）可在高危環境執行任務。無人機可遂行高危險性作戰任務，更高的隱身性能將大大提高其突防作戰能力和生存力，實現“非接觸”“零傷亡”作戰，無人員傷亡，適應政治和軍事需求。

（4）無人機適合開展敏捷化響應行動。例如，在阿富汗戰爭中使用的“捕食者”無人機，可一次升空盤旋24小時，由于裝備先進的傳感器和衛星通信數據鏈，可在晝夜和全天候環境下提供實時視頻圖像，使得從偵察到情報核實、下達作戰任務的整個過程時間，不到五分鐘。

為了在本課培養體系中培養無人機相關人才，本文介紹了瞄準本課教育的無人機實踐類課程的建設內容以及建設思路。課程內容根據無人機系統的觀察、判斷、決策、行動(oberver-orient-decide-act,OODA)運用回路，開展教學內容設計，使得回路中每個單元都有相關內容呼應，例如觀察單元對應課程中的無人機任務載荷信息處理部分。以 OODA回路為牽引設計課程內容，培養學員對于無人機應用的系統性觀念，根據回路中各單元的需求，重點掌握單元所需的理論知識，適應信息化、智能化條件下無人機系統的作戰應用背景。

1 無人機系統實踐課程教學目標

無人機系統實踐類課程主要面向無人機系統相關專業的本課學員開設，課程主要結合小型固定翼開展無人機組裝調試、無人機飛行操作、任務規劃、鏈路測控、情報處理、維修保障等相關的課程內容項目，強化“動手組裝、編程實現、飛行實操”等實踐環節，為學員打牢在相關崗位掌握實操技能的基礎。課程主要達到三級教學目標：

1.1 知識目標

學員通過課程實踐，充分掌握典型小型固定翼無人機系統的組成，了解典型無人機系統的使用、維修的案例，對任務載荷技術、無人機測控和信息傳輸技術等關鍵技術加以有效運用。

1.2 能力目標

課程實踐建立在學員前期所學課程的基礎上，結合無人機實踐課程使學員具備將所學理論知識與無人機結合運用的能力、針對具體無人機應用設計算法并編程實現的能力。結合具體的無人機系統使用，具備無人機飛行控制、發射回收、機載偵察設備操控、無線通信系統管理、導航定位、偵查數據分析等能力。

1.3 素質目標

課程側重于小型固定翼無人機裝備的飛行操作、案例教學、任務設計，使學員能夠了解小型固定翼無人機的理論素質，實現典型無人機系統的組裝、調試、測試和飛行全流程實操，具備無人機系統的操作、鏈路測控、情報處理、維修保障等工程素質。

2 無人機實踐課程教學理念與方法

無人機系統實踐類課程實踐性較強，相比理論課更加考核學員的動手能力，所以在教學過程中以學員為中心，引導學生自我學習與實踐，發揮學員的主觀能動性，在無人機實踐中“發現問題—解決問題—思考問題”，教學過程中，采用四個結合的教學方法開展實踐類教學：

（1）采用啟發式教學和趣味教學相結合的方式。比如，在教授三角翼無人機調試時，引導學員思考舵面偏轉和無人機滾轉角度、俯仰角度的關系，通過結合空氣動力學和實物講解三角翼傳感器矯正的必要性。實操過程中，會采用個人賽的形式考核學員對于三角固定翼無人機的組裝過程，使得課程過程中趣味性增強，激發學員的積極競賽求勝的心理。

（2）采用理論講授與編程實踐相結合的方式。授課過程中會結合無人機的任務想定開展教學，例如需要對地面的目標進行檢測識別，教學實施過程中會首先講授算法的原理，課上現場指導學員利用編程實現，并基于學生的編程代碼規范以及算法效果現場評判學員的成績。

（3）采用教員引導與學員探究相結合的方式。無人機系統實踐類課程的特色體現在學員的個體動手能力上，施教過程中教員主要采用引導的方式，主要以介紹無人機系統原理、無人機實驗實施步驟以及注意事項為主，學員自我探索組裝無人機，以團隊協作完成實驗任務。

（4）采用現場考核與現場點評相結合。根據課程設置的不同實驗項目，課程授課教員采取觀測點現場打分的形式，考核學員對于實踐科目的完成情況。并針對學員在實踐過程中所遇到的問題以及錯誤的操作，及時課上點評，加深學員對于每一個科目的細節掌握程度。

3 無人機系統實踐課程內容設計

3.1 總體思路

實踐課程主要瞄準培養學員的動手能力以及團隊協作能力，課程內容分為個人科目和團隊科目，團隊任務的技術基礎來源于個人項目，又增設了遞進式任務，整個課程內容設計如圖1所示，主要包含：無人機組裝調試、無人機任務航線規劃、無人機飛行試驗以及無人機機載任務載荷感知信息處理模塊等內容。課程上課周期持續1周，課程內容設計按照遞進式逐漸增加課程難度，圍繞無人機OODA回路進行科目設置，課程首先以個人組裝小型三角翼無人機入門，增加學員對于實踐課程的興趣，以此作為后續小型三角翼手控飛行個人項目、大型三角翼組裝團體項目的基礎；任務航線規劃模塊主要以地面站以及無人機飛控為基礎，進行航線設計以及地面監測無人機狀態，以此作為后續大型三角翼自主航線飛行的基礎；無人機飛行試驗為整個課程內容體系的最重要模塊，集成了無人機模擬飛行、遙控飛行、自主飛行各類飛行模式，并以此作為無人機機載任務載荷感知信息處理的基礎。

圖1：無人機實踐課程內容設計

3.1.1 無人機組裝及調試

實踐課程所采用的無人機為三角翼無人機，如圖2所示，整個無人機翼展650mm，由機身、動力裝置和飛行控制系統組成，其中所采用的飛行控制系統帶增穩功能，含陀螺儀、加速度傳感器等的自平衡陀螺儀系統。整個三角翼系統以零配件的形式分發給學員，學員需要按照實驗指導書完成三角翼無人機的組裝以及系統調試。調試過程中涉及到學員前序課程中所學的無人機飛行控制原理的相關知識，引導學員根據三角翼的飛行狀態調試舵機的控制邏輯，將所學無人機的控制知識應用到實際的物理系統中。

圖2：課程實驗設備圖

3.1.2 無人機任務規劃模塊

任務規劃實驗主要樹立學員對于地面站的概念認知，通過無人機地面站現飛行操控、任務規劃、參數整定等。常用的開源地面站軟件由有MissionPlanner、QGroundControl等。課程實驗所采用的地面站為QGroundControl，可用于飛行器起飛前對 Pixhawk自駕儀進行傳感器校準和參數調整等初始化工作，Pixhawk是一款高性能自動駕駛儀，適用于固定翼，多旋翼等多種無人機平臺。在飛行過程中通過無線數傳模塊接收并觀察到飛機的實時飛行狀態，學員根據飛機飛行狀態進行在線參數調整，其工作界面如圖2所示。學員根據任務計劃以及地圖信息，設計無人機的飛行航線，在保證無人機飛行安全情況下，開展預定的飛行任務。此模塊主要依托團體小組完成翼展1米的大型三角翼組裝后，實現全自主的航線飛行。

3.1.3 無人機飛行試驗

無人機飛行項目模塊主要分手控飛行以及自主飛行兩個模塊。手控飛行以學員自主完成組裝的小型三角翼飛行考核，學員首先以前期的商用模擬器機上模擬飛行訓練為主，熟悉遙控器的各個搖桿的功能，在此基礎上，實現對于小型三角翼的實飛科目。在此基礎上，學員以4-5人組成小組，根據組內設計的無人機飛行航線，完成大型三角翼的全自主航線飛行。通過此科目學員可以實現對于無人機的飛行技能的初步入門掌握。

3.1.4 無人機感知信息處理

課程以一個具體的任務想定為牽引，引導學員完成對于目標檢測識別。以機載的攝像頭作為信息的獲取手段，通過大型三角翼搭載相機、地面站獲取實時圖像數據的方式，結合霍夫圓檢測的基本算法，實現無人機下視視野條件下任務區域的圓形目標檢測，如圖2所示。利用感知信息處理科目的實踐，加強學員對于圖像信息處理的認識，體驗無人機對于目標檢測識別的應用，了解無人機對于偵查領域的應用。

3.2 課程的考核方式設置

無人機實踐課程根據無人機的典型應用，以小型三角翼作為對象開展課程實踐，根據課程內容設計，整個課程被劃分為若干科目。課程的實操性比較強，需要現場給予學生指導，故整個課程以設置觀測點打分的形式進行現場考核，根據科目的考核量表對于學員的每個科目進行考核。另外，為了加強學員之間的團隊協作能力，課程以小組為考核單元，提交課程綜合實驗的實驗報告。每位學員的最終得分以百分制，其中觀測點打分占70%，實驗報告占據30%（實驗報告根據團隊分工計算，實行團隊內互評打分的形式）。

4 無人機實踐課程效果分析

（1）無人機實踐課程是多學科課程的綜合演練。本門實踐課程涵蓋了工程制圖、無人機飛行控制、無人機任務規劃、無人機鏈路、圖像處理等相關課程的知識，學員以此課程為牽引，對于前序課程的知識點可以實現課程體系的閉環。

（2）無人機實踐課程構建了課程理論到實踐探索的橋梁。對于無人機相關專業學生，個人需求比較明確，急需將所學知識進行轉化，通過這類實踐課程可以讓學員體驗以無人機具體對象的課程實踐樂趣，強化學員對于無人機系統的模塊知識學習。從課程成效方面可以看出，學員對于實踐類課程參與度很高，課程的積極性很高，真個課程的教學過程中充分體現了以學員為中心的教學理念，充分發揮學員的主觀能動性，讓學員從實踐中反思理論知識點的難點和關鍵點。

5 總結

無人機實踐課程具有實踐性強、集中性、時效性強、知識面覆蓋面廣等特點，集成了無人機相關領域眾多課程的知識點，面向本科學員開設。本文以無人機綜合實踐類課程為基礎，闡述了課程建設的思路以及課程的內容框架。作為實踐類課程，圍繞無人機OODA回路，緊貼前沿應用，實現了課程理論實踐到運用的轉化。本文總結的無人機實踐類課程的建設思路可為后續實踐課程建設進行指導。