基于无人机测控的电子设计实验教学改革

刘靖宇 滕云萍 李鹏 沈晔

摘要：无人机在各行各业的应用中，有其不可替代的优势，而在电子设计教学实验中，学生缺乏对无人机的测控实践和应用。所以该教学改革旨在利用无人机实验平台，加强学生对自动控制、嵌入式开发、传感器应用等课程知识的践与应用。

关键词：无人机测控；实验教学；电子设计实验

无人机具有机动、快速、经济等优势，已经成为世界各国争相研究的热点课题，在工业、农业、军事等行业，无人机都发挥着重要的作用。随着传感器、嵌入式处理器、通信等技术的快速发展和性能提升，无人机应用技术专业与高新技术产业、智能制造技术和现代服务业等多种产业领域紧密对接。

科技的进步，也促进着教育事业的发展。在教育部大力支持下，开展了很多学术竞赛，其中包括全国大学生电子设计竞赛，多旋翼飞行器的设计也成为题目之一，不仅体现竞赛对知识积累的更高要求和对科技创新的结合与应用，更能体现我国对无人机发展的重视。从2013年开始，全国大学生电子设计竞赛率先将多旋翼飞行器作为选题之一放入到竞赛当中，随后几年，更是不断提高赛题难度，无疑也是对参赛学校和参赛选手的一个重大考验。

以往各大高校中的机电相关专业实验课程缺少一个能将机械结构、电路设计、嵌入式应用、传感器测控、计算机语言编程、控制算法等多个科目类别综合运用训练的实验平台，如今无人机在多个领域兴起，正是一个很好的契机与平台，无人机不仅综合了多个科目实践研究的内容，还伴随着大量的创客空间与企业的兴起，技术与资料愈发的成熟和完善，且各大高校和职业院校也开始着手申请无人机专业和制定相关课程，以适应科技发展和学生能力培养，但是还有很多本科院校目前还未对无人机实验教学平台广泛开展实验教学工作。

本校为了提高实验室资源，整合了多套基础仪器设备，完成了电子电气类开放实验室的初步建设，已经向全校的教师、学生开放，为配合该开放实验室硬件设施配置，对无人机实验平台做出相应设计。

1无人机实验平台设计

1.1“积木式”硬件设计

实验教学平台的设计，采用“积木式”搭建的方式，使用不同的单片机、传感器、驱动器、通信模块等外围硬件，可以实现不同的教学课程，包括STC8系列单片机、TM4C系列单片机、STM32系列单片机、陀螺仪、电子罗盘、气压计、蓝牙通信、2.4G无线通信、无刷电机驱动等内容。

“积木式”设计可以增加学生动手实践能力，接口开放程度比较大，可以更方便的接入其他硬件外设，并且可以更好的适应在毕业设计、课程设计、学科竞赛、创新创业项目等教学任务中。

1.2上位机功能

上位机软件包含传感器校准、单片机设置、传感器搭配方式、遥控器设置、通信协议设置、PID调参等功能。学生可以通过对不同传感器的搭配，运用不同的算法，来实现对无人机的控制，以得到对自动控制原理、嵌入式开发、传感器应用等课程的理解与吸收。

无人机实验平台的PID算法调参是在上位机上进行操作的，通过实时对不同不同参数调整，可以直观的看到无人机姿态做出的反应，也可对比不同参数下，无人机对姿态调整的反响速度。除此之外，还能通过波形图观察无人机三个轴向的姿态、加速度、角速度及PID参数的响应速度。

1.3安全防护

无人机拥有高速旋转的螺旋桨，桨叶在无刷电机的带动下，拥有很大的破坏力，故对学生的安全也尤为重要。

首先，无人机的轴距是可以由螺旋桨的尺寸决定的，作为实验平台，螺旋桨尺寸不宜太大，所以无人机的轴距在220mm较为合适，这样不仅可以在外围加装全包围的防护圈，还能选择小尺寸的螺旋桨。其次，无人机在控制程序上，须将无人机过倾保护作为最高级的中断，一旦无人机出现异常，在角度过大的情况下，无人机的螺旋桨能立刻停止旋转，第一时间保护学生不被螺旋桨伤害到。最后，无人机供电使用大功率直流电源箱供电，在异常情况下，学生可以在第一时间内，通过关闭电源来使无人机停止工作，以达到保护自身或其他人安全的目的。

2实践模式

2.1配合专业学科实验

无人机涉及到很多学科类别，例如电子、自动化、电气、通信、计算机等专业，包含的课程知识有单片机、无线通信、传感器应用、控制算法、自动控制等内容。可以将无人机中涉及到的知识，拆分到不同课程中，进行实验课程内容，最后在暑期的课程设计中，将每一个实驗课程的内容进行整合，对学生做课程设计实践，以达到对无人机专业知识的全面学习和实践。

2.2配合同舟学院和创新创业课程

可以在新建设的电子电气类开放实验室中进行选修课程，除了固定时间指导外，学生还可以自由选择时间去实验室动手实践，不仅能享受到边学边实践的过程，还可以体验到设计无人机的乐趣。

2.3配合毕业设计和课程设计

毕业设计是将在大学期间所学知识的一个实践应用，并对自身所学知识水平的提高，而课程设计则是对本学年内所学课程的一个阶段性总结。无人机实验平台自身拥有难、易多层次的性质，可以针对课程设计来教授其中的一部分知识，例如电子线路布置、芯片焊接工艺、单片机应用、通信接口与协议等内容。还可以针对毕业设计，让学生开发设计无人机的其他应用，例如航拍、测绘、植保、检修、预警、巡逻等。

无人机实验平台是“承上启下”的学习平台。“承上”可以搭配不同的模组在不同应用领域中进行实际的工作，“启下”则可以针对不同专业学科进行理论课程实践，不仅让学生对无人机的科学技术和专业知识在学习的过程中充分融合，还能对社会上科技的发展有进一步的了解与认识。

2.4配合学科竞赛、大学生创新设计实践项目

随着无人机的兴起，很多大学生科技竞赛都出现了有关无人机的赛题，例如：全国大学生电子设计竞赛。本校从2013年开始参加电赛中的四旋翼飞行器赛题，这也使得无人机项目一直作为我校大学生创新设计实践项目的重点研究项目，从开始的设计，到近几年的图像识别，每一届学生都将相关知识传承下去。如今市面上的消费级无人机逐步走进大学生的视野，无人机实验平台作为大学生与专业知识的契合点，极大的增加了学生的学习热情，也能体会到自己动手并运用所学知识去体验无人机的设计过程。

3结语

总之，学生的创新能力和专业知识实践都具有长期性和系统性，在学生的专业实验课程上，需要多方位的、系统的、与科技相结合的去培养他们的能力，让学生有更好的专业能力和知识。

参考文献

[1]陈霖，周廷，刘占超. 基于项目导向的《无人机系统》课程教学改革实践，教育现代化，2018年29期

[2]温凯，陈缪. 全尺寸四旋翼无人机教学平台设计与课程开发，实验技术与管理，2018年09期

[3]曾舒婷，夏庆峰. 高等学校无人机课程的跨学科教学研究，电脑知识与技术，2018年29期

[4]雷英栋，吴湘莲，周乐. 高职院校开设无人机结构与系统公选课的探索，职业，2019年05期

[5]褚丽娜，刘新海，赵月飞，李爱华. 无人机装备教学的信息化改革研究，高师理科学刊，2018年12期

项目来源：同济大学浙江学院第七届教改项目第43号，项目编号：0118043

（作者单位：同济大学浙江学院）