固定翼無(wú)人機(jī)綜合實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)研究

賈高偉 楊希祥 郭正

[摘 要] 圍繞知識(shí)—能力—素質(zhì)培養(yǎng)理念，在航空院校配合無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)課程開(kāi)展綜合實(shí)踐，設(shè)定學(xué)生應(yīng)該具備的能力標(biāo)準(zhǔn)，以項(xiàng)目設(shè)計(jì)為抓手，將理論知識(shí)點(diǎn)和關(guān)鍵能力點(diǎn)有機(jī)串聯(lián)，通過(guò)動(dòng)手操作及無(wú)人機(jī)實(shí)飛，綜合提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解水平和應(yīng)用能力，通過(guò)良好的習(xí)慣培養(yǎng)航空素養(yǎng)。結(jié)合國(guó)防科技大學(xué)實(shí)際，開(kāi)展基于固定翼無(wú)人機(jī)為實(shí)踐平臺(tái)的綜合實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐，帶領(lǐng)學(xué)生完成氣動(dòng)計(jì)算、通信測(cè)控、飛行控制、總裝集成，并開(kāi)展無(wú)人機(jī)實(shí)際飛行驗(yàn)證；總結(jié)了授課體會(huì)并延伸改革思路，對(duì)無(wú)人機(jī)專業(yè)學(xué)生的任職教育與教改模式創(chuàng)新具有較好的參考意義。

[關(guān)鍵詞] 固定翼無(wú)人機(jī)；綜合實(shí)踐；教學(xué)設(shè)計(jì)

[基金項(xiàng)目] 2019年度湖南省學(xué)位與研究生教育改革研究項(xiàng)目“能力產(chǎn)出導(dǎo)向的空天專業(yè)研究生實(shí)踐教學(xué)模式研究”（2019JGYB019）

[作者簡(jiǎn)介] 賈高偉（1989—），男，河南周口人，博士，國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院副教授，主要從事先進(jìn)飛行器設(shè)計(jì)與智能集群應(yīng)用研究；楊希祥（1982—），男，河北衡水人，博士，國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院教授，主要從事飛行器控制與試驗(yàn)評(píng)估研究；郭 正（1974—），男，河北辛集人，博士，國(guó)防科技大學(xué)空天科學(xué)學(xué)院教授，主要從事先進(jìn)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)與氣動(dòng)分析研究。

[中圖分類號(hào)] G642.4 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1674-9324（2022）06-0129-04 [收稿日期] 2021-06-28

引言

習(xí)近平總書(shū)記在視察空軍航空大學(xué)時(shí)指出，現(xiàn)在各類無(wú)人機(jī)系統(tǒng)大量出現(xiàn)，無(wú)人作戰(zhàn)正在深刻改變戰(zhàn)爭(zhēng)面貌。要加強(qiáng)無(wú)人作戰(zhàn)研究，加強(qiáng)無(wú)人機(jī)專業(yè)建設(shè)，加強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)化教育訓(xùn)練，加快培養(yǎng)無(wú)人機(jī)運(yùn)用和指揮人才[1]。因此，航空院校當(dāng)進(jìn)一步重視無(wú)人機(jī)課程建設(shè)，帶動(dòng)學(xué)生鞏固理論知識(shí)、強(qiáng)化動(dòng)手能力，提升綜合素質(zhì)。當(dāng)前，探索開(kāi)展無(wú)人機(jī)綜合實(shí)踐教學(xué)已經(jīng)成為重要的教學(xué)途徑[2，3]。

綜合實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)理念是以項(xiàng)目為抓手，將學(xué)生所學(xué)知識(shí)進(jìn)行綜合、系統(tǒng)地銜接，并以實(shí)際操作的基本形式，帶領(lǐng)學(xué)生完成知識(shí)—能力—素質(zhì)一體化培養(yǎng)進(jìn)程。綜合實(shí)踐教學(xué)不屬于理論課程，但它的開(kāi)設(shè)需要同某一門或者多門理論課程相結(jié)合，具有配合性質(zhì)但又不可或缺，是學(xué)生形成知識(shí)運(yùn)用能力的重要途徑[4，5]。

一、綜合實(shí)踐教學(xué)的基本設(shè)計(jì)

（一）實(shí)踐教學(xué)的基本理念

航空先驅(qū)奧托·李林塔爾的名言：“發(fā)明一架飛機(jī)算不了什么，制造一架飛機(jī)也沒(méi)有什么了不起，而試驗(yàn)它才艱難無(wú)比。”濃縮了飛行器設(shè)計(jì)的精華，“能飛”是檢驗(yàn)飛行器的終極磨刀石，是最有說(shuō)服力的驗(yàn)證。無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)涉及的學(xué)科門類廣，技術(shù)頭緒多，“飛行”狀態(tài)的無(wú)人機(jī)對(duì)其設(shè)計(jì)的各個(gè)方面均有嚴(yán)格要求，這也是飛行器不同于其他工學(xué)學(xué)科的顯著特點(diǎn)[6]。因此，學(xué)生在完成無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)之后，若能夠通過(guò)實(shí)踐操作，完成某一無(wú)人機(jī)的飛行，無(wú)疑將對(duì)其所學(xué)知識(shí)和動(dòng)手實(shí)踐的效益產(chǎn)生綜合的可信賴的評(píng)價(jià)。同時(shí)，實(shí)踐教學(xué)本身也是學(xué)習(xí)知識(shí)、回顧知識(shí)、鍛煉能力的過(guò)程。因此我們?cè)O(shè)置的無(wú)人機(jī)綜合實(shí)踐項(xiàng)目的基本理念為：將一架固定翼無(wú)人機(jī)飛起來(lái)，并以此為中心組織必要的分科目實(shí)踐。

實(shí)踐的對(duì)象為某電動(dòng)固定翼無(wú)人機(jī)，以此開(kāi)展實(shí)踐教學(xué)的明顯優(yōu)勢(shì)包括：其一，無(wú)人機(jī)是一個(gè)團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目，有助于培養(yǎng)創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神與工程素養(yǎng)，加深學(xué)員對(duì)飛機(jī)/無(wú)人機(jī)裝備的認(rèn)識(shí)理解。其二，無(wú)人機(jī)涵蓋了幾乎所有飛行器學(xué)科中都要用到的總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)計(jì)算、結(jié)構(gòu)制造、飛行試驗(yàn)、數(shù)據(jù)分析等過(guò)程。其三，相比于多旋翼無(wú)人機(jī)，固定翼無(wú)人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍更廣，且固定翼無(wú)人機(jī)在氣動(dòng)計(jì)算、飛控、測(cè)控通信及實(shí)際飛行方面具有更高的要求，這將激發(fā)學(xué)生的積極性、責(zé)任心與使命感。

（二）實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)容安排

實(shí)踐項(xiàng)目涵蓋了無(wú)人機(jī)研發(fā)的主要步驟和流程，包括總體概念設(shè)計(jì)、氣動(dòng)力計(jì)算、控制仿真、無(wú)線通信、總裝集成、飛行試驗(yàn)等，內(nèi)容框架如圖1所示。上述實(shí)踐環(huán)節(jié)可以訓(xùn)練學(xué)生動(dòng)手操作能力、試驗(yàn)組織能力、數(shù)據(jù)分析能力和文檔撰寫(xiě)能力。

學(xué)生需運(yùn)用理論課程中所學(xué)到的空氣動(dòng)力學(xué)、飛行力學(xué)以及物理學(xué)知識(shí)進(jìn)行無(wú)人機(jī)項(xiàng)目應(yīng)用訓(xùn)練；在項(xiàng)目最后，要求學(xué)生撰寫(xiě)實(shí)踐報(bào)告，描述整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施與訓(xùn)練過(guò)程細(xì)節(jié)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)項(xiàng)目取得的成果。具體實(shí)踐安排為：（1）以實(shí)際放飛某電動(dòng)無(wú)人機(jī)為抓手，該機(jī)翼展1.8m，重2kg，基本幾何參數(shù)已知，但氣動(dòng)特性需要計(jì)算獲知；需要建立全機(jī)幾何模型，對(duì)其氣動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，得到升力系數(shù)、俯仰力矩、焦心位置等參量，計(jì)算飛行速度范圍與穩(wěn)定裕度；（2）基于線性小擾動(dòng)模型，建立飛行器控制仿真模型，調(diào)整控制參數(shù)，以得到穩(wěn)定的仿真飛行結(jié)果；（3）結(jié)合實(shí)際的無(wú)線通信電臺(tái)，開(kāi)展功能設(shè)置與性能測(cè)試，熟悉無(wú)線通信系統(tǒng)的基本構(gòu)成與注意事項(xiàng)，能夠評(píng)估無(wú)線通信距離；（4）完成全機(jī)的總裝集成，包括機(jī)體的總裝和航電飛控系統(tǒng)組裝，完成實(shí)飛準(zhǔn)備，相繼開(kāi)展遙控飛行和自駕飛行。

（三）實(shí)踐教學(xué)的設(shè)計(jì)技巧

1.分組實(shí)施。無(wú)人機(jī)具有典型的多學(xué)科屬性，涉及氣動(dòng)設(shè)計(jì)、控制、制造、通信與飛行試驗(yàn)等，現(xiàn)階段的無(wú)人機(jī)研發(fā)、使用與保障過(guò)程等均是團(tuán)隊(duì)行為。為此，無(wú)人機(jī)綜合實(shí)踐項(xiàng)目有必要以分組的形式開(kāi)展，將組內(nèi)分工以及組內(nèi)協(xié)作納入課程考核內(nèi)容。

2.重復(fù)與強(qiáng)化。無(wú)人機(jī)實(shí)踐項(xiàng)目中的機(jī)體組裝、無(wú)線通信測(cè)試、飛行前檢查等實(shí)踐內(nèi)容，步驟并不復(fù)雜，但邏輯性強(qiáng)，對(duì)飛行安全至關(guān)重要，有必要進(jìn)行多次重復(fù)操作，其目的是通過(guò)強(qiáng)化訓(xùn)練，形成更為深刻的記憶。比如，飛行前結(jié)構(gòu)檢查中舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、連桿銜接、中立位置調(diào)整；航電檢查中電池電壓、傳感器初始化、自駕儀狀態(tài)等基礎(chǔ)性檢查。通過(guò)反復(fù)強(qiáng)化，有助于提高學(xué)生理解并重視飛行安全，強(qiáng)化安全意識(shí)。

3.引導(dǎo)與“挖坑”。教員準(zhǔn)確的引導(dǎo)是幫助學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)完成實(shí)踐內(nèi)容的重要保證，“挖坑”則是教員結(jié)合試驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)各組學(xué)員進(jìn)行差異化的障礙設(shè)置。通過(guò)引導(dǎo)，督促學(xué)員在正確的方向上實(shí)踐、進(jìn)步；通過(guò)“挖坑”，促使學(xué)生更加認(rèn)真，集中注意力，避免濫竽充數(shù)，也間接培養(yǎng)其發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。“坑”的大小要適當(dāng)，太小了不能發(fā)揮作用，太大了又可能誘發(fā)學(xué)生的畏難情緒，需要結(jié)合實(shí)踐效果，合理設(shè)置障礙。“挖坑”的合理程度將在不斷實(shí)踐積累中逐步優(yōu)化。

4.引入特色“對(duì)抗”。凸顯“對(duì)抗”特色，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，豐富實(shí)際應(yīng)用中的處置經(jīng)驗(yàn)。以開(kāi)展無(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)實(shí)踐活動(dòng)為例，可以選擇某小組為“對(duì)手”，對(duì)其進(jìn)行對(duì)抗挑戰(zhàn)，對(duì)抗的形式包括：一是無(wú)線干擾，這在無(wú)人機(jī)實(shí)際通信應(yīng)用中是常見(jiàn)的，該操作能夠使學(xué)生在實(shí)踐中更直觀地理解無(wú)線信道的屬性特征；二是對(duì)某一小組設(shè)備進(jìn)行“人為破壞”，不再是理想的完好狀態(tài)，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)修正通信設(shè)備狀態(tài)參數(shù)并處置意外情況。

二、綜合實(shí)踐教學(xué)的考核

（一）實(shí)踐項(xiàng)目報(bào)告的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目報(bào)告書(shū)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐項(xiàng)目?jī)?nèi)容緊密配合。氣動(dòng)力分析方面，基于AVL（Athena Vortex Lattice）軟件完成飛機(jī)外形建模及各類計(jì)算；飛行控制方面，依據(jù)功能映射，建立基于SIMULINK的飛控仿真環(huán)境，通過(guò)控制參數(shù)的調(diào)整，學(xué)習(xí)了解控制參數(shù)與飛行品質(zhì)之間的聯(lián)系；無(wú)線通信方面，采用行業(yè)內(nèi)常用的視距通信電臺(tái)，要求學(xué)生掌握無(wú)線電臺(tái)基本參數(shù)的設(shè)置，了解影響通信時(shí)延、傳輸速率及傳輸距離的關(guān)鍵因素；全機(jī)總裝集成以及地面檢查方面，由教員組織制定結(jié)構(gòu)檢查與航電檢查記錄表，學(xué)生在組裝與檢查過(guò)程中，詳細(xì)對(duì)照檢查表，以圖片和圖表的形式完成記錄。

綜上所述，項(xiàng)目報(bào)告書(shū)的內(nèi)容設(shè)計(jì)如圖2所示，分為4個(gè)主要模塊。

（二）實(shí)踐項(xiàng)目考核結(jié)果分析

針對(duì)圖2所示的四個(gè)實(shí)踐內(nèi)容，統(tǒng)計(jì)學(xué)生對(duì)應(yīng)的得分及分?jǐn)?shù)分布情況，每個(gè)實(shí)踐子項(xiàng)目滿分 20分。需要說(shuō)明的是，在控制仿真實(shí)踐和通信系統(tǒng)實(shí)踐中均引入了“挖坑”環(huán)節(jié)。如表1及圖3所示。

圖3中縱坐標(biāo)表示學(xué)生數(shù)量，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)實(shí)踐子項(xiàng)目的得分。由表1及圖3可知，氣動(dòng)計(jì)算實(shí)踐和總裝飛行實(shí)踐平均得分高，且分?jǐn)?shù)集中，控制仿真實(shí)踐和通信系統(tǒng)實(shí)踐平均得分最低，分?jǐn)?shù)較為分散，凸顯出“挖坑”技巧產(chǎn)生影響，有組員未能完全地“填坑”，導(dǎo)致部分測(cè)試數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，影響了得分。由此也可得知，“挖坑”環(huán)節(jié)的設(shè)置使得分?jǐn)?shù)分布不再單一集中，減小了濫竽充數(shù)的可能。具體地說(shuō)，在通信系統(tǒng)實(shí)踐中，接收對(duì)抗測(cè)試的一組學(xué)生平均得分16分，高于全班平均分14.8，反映出對(duì)抗環(huán)節(jié)能夠激發(fā)學(xué)生的熱情，以更高的專注度更認(rèn)真地完成實(shí)踐活動(dòng)。此外，也可看到圖3中得分分布并不盡合理，不滿足正態(tài)分布，這與考核得分設(shè)置及實(shí)踐的挑戰(zhàn)性設(shè)置有關(guān)，這一問(wèn)題的改善在第四章節(jié)進(jìn)行論述。

三、體會(huì)與思考

（一）實(shí)踐性得分與測(cè)試性得分的權(quán)重

傳統(tǒng)的理論課程，考核方式明確具體，以測(cè)試性得分為主。對(duì)于實(shí)踐項(xiàng)目，學(xué)生按照試驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)完成實(shí)踐內(nèi)容即可得分，即實(shí)踐性得分為主。實(shí)踐得分權(quán)重過(guò)高容易導(dǎo)致分?jǐn)?shù)分布集中在優(yōu)秀，體現(xiàn)不出差異性，這在氣動(dòng)計(jì)算和總裝實(shí)飛實(shí)踐中得以體現(xiàn)，難以衡量學(xué)習(xí)差異。若大幅提高測(cè)試性得分比重，則有可能引入偏理論授課的成分，一定程度上偏離實(shí)踐課程的初衷。教改方式：針對(duì)具體的實(shí)踐過(guò)程和步驟，適度增加測(cè)試性考核部分，考核內(nèi)容為實(shí)踐操作、關(guān)鍵注意事項(xiàng)及實(shí)驗(yàn)體會(huì)等，可以以測(cè)試卡的形式組織，平衡實(shí)踐性得分權(quán)重，形成綜合性的得分體系。

（二）障礙設(shè)置與實(shí)踐風(fēng)險(xiǎn)的折中

實(shí)踐得分表明，障礙設(shè)置和對(duì)抗訓(xùn)練有助于提高學(xué)生積極性，使得分?jǐn)?shù)差異化，減少濫竽充數(shù)。但氣動(dòng)力計(jì)算與總裝實(shí)飛實(shí)踐中，考慮到這兩個(gè)步驟對(duì)實(shí)際飛行影響較大，若障礙太大，有可能將錯(cuò)誤的做法帶入實(shí)際飛行中，增加實(shí)飛風(fēng)險(xiǎn)。教改方式：一是合理評(píng)估障礙難度，選擇難度適宜的障礙測(cè)試學(xué)生反應(yīng)，且障礙設(shè)置需在長(zhǎng)期實(shí)踐中逐步優(yōu)化；二是對(duì)障礙進(jìn)行編號(hào)、記錄，并由助教密切關(guān)注所挖的“坑”是否被發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)介入，保證最終實(shí)踐過(guò)程的正確性和安全性。

實(shí)踐項(xiàng)目的實(shí)施，目的是通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐更好地消化知識(shí)、形成能力、培養(yǎng)素質(zhì)，但過(guò)程設(shè)計(jì)及得分體系均會(huì)給培養(yǎng)效果帶來(lái)深刻影響。在實(shí)踐教學(xué)中，應(yīng)盡可能調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，體現(xiàn)過(guò)程差異性，避免走過(guò)場(chǎng)隨大流，讓學(xué)生扎實(shí)掌握實(shí)踐要點(diǎn)，學(xué)有所得，學(xué)有所長(zhǎng)。

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Research on the Teaching Design of the Comprehensive Practice Course of Fixed-wing Unmanned Aerial Craft

JIA Gao-wei， YANG Xi-xiang， GUO Zheng（College of Aerospace Science and Engineering， National University of Defense Technology， Changsha， Hunan 410072， China）

Abstract： According to the concept of knowledge-ability-quality training， it is necessary to carry out comprehensive practice by offering UAV design courses in aviation colleges and universities. By setting the ability standards that students should have and taking the project design as the starting point， we can organically combine the theoretical knowledge with the key abilities of the students. Through students’ hands-on operation and the real flight of UAV， students’ understanding level and knowledge application ability can be comprehensively improved. Aviation literacy can be cultivated through the forming of good habits. Combined with the actual situation of our school， the comprehensive practice teaching design and practice based on Fixed-wing Unmanned Aerial Craft， which serves as a practice platform， is carried out， which allows the students to complete the practices， such as the aerodynamic calculation， the communication measurement and control， the flight control， and the assembly integration， as well as the actual flight verification of UAV. This paper summarizes the teaching experience and extends the reform ideas， which has a good reference significance for the vocational education and the teaching model innovation of UAV students.

Key words： Fixed-wing Unmanned Aerial Craft； comprehensive practice； teaching design

3384500589246