基于无人机的创新能力培养课程体系建设的探索与研究

2020-07-12罗伟

科技视界 2020年35期

关键词：飞控空地协同

罗伟

（苏州市职业大学，江苏苏州215104）

【关键字】无人机；创新能力培养；课程体系

0 引言

近年来，无人机技术日趋成熟，市场发展迅速，特别是在民用领域，应用范围已扩展到各行各业，消费级无人机市场已有大疆、极飞、亿航等商用巨头，无人机市场不断细分，已应用到视频拍摄、城市管理、电力巡检、农业、地质等领域。

无人机的快速发展将创造大量的工作岗位，无人机人才稀缺，国内中高职院校均已开设了无人机专业，开设院校数量逐年上涨，2020年已有312所高职院校对无人机应用技术进行了拟招生专业设置备案[1]。无人机单机技术已经成熟，但无人机依然存在续航能力不足、载重不够等缺点。多机协作，空地协同，仍然是无人机研究的热点问题，特别是空地协同。空地协同可以解决空中无人机负载能力不足的缺点，同时解决了地面无人机视野不足的缺陷。

1 无人机与创新能力培养

无人机是集机械、电子、计算机等多学科为一体的高科技产品，具有多学科交叉的优点，此外无人机还具有趣味性，学生比较喜欢操作，以无人机为载体开展创新教育，是培养学生创新能力的理想素材。特别是空地协同无人机，空地协同无人机使用到的技术比空中无人机要多很多，除空中无人机涉及的技术外，还包括空地通信、空中目标识别、路径规划等。空地协同无人机既要设计制作地面无人机，又要设计制作空中无人机，可以为学生提供个性化的学习机会，构建综合创新能力培养的立体化场景，而且空地协同无人机技术还不成熟，还有不少需要解决的问题，也是高层次学生进行科研创新的绝佳素材。

目前，无人机已进入到电子设计竞赛、技能大赛、创新创业大赛，成为一个重要的比赛素材，激发了学生们学习相关知识的动力，在培养学生的实践能力、创新能力、团队精神方面，起到了重要的促进作用[2]。

根据高职学生的培养要求，无人机作为创新能力培养的重要素材，涵盖了电子信息、机械、计算机等相关学科知识点，其可以作为：练习设备装配的平台，练习飞行的操作平台，练习单片机、电路设计的电子平台，练习算法的计算机平台。在装配过程中，学生可以了解无人机的结构和机械原理，练习飞行可以锻炼学生手眼协同能力。在电子平台方面，学生可以借助无人机学习单片机及相关电路与程序的设计。作为计算机平台，学生可以进行计算机视觉、SLAM等算法的研究与学习。总之，无人机可供教学与研究的领域很多，很多专业的学生都可以找到自己的兴趣点。

2 现有无人机教学平台

高职电子信息类专业现有的创新能力培养平台一般只侧重于对单一课程内容或简单的系统集成，缺乏趣味性，学生兴趣不高，大部分高职学生无法自主完成相关实验，同时综合性也不够，无法串联所学知识。近年来，随着无人机技术的不断发展、生态的不断完善，无人机的趣味性、综合性使得无人机开始应用于高校创新人才培养，使得各相关专业开始把无人机作为主体，构建创新能力培养课程体系。

目前已有电子科技大学、中国石油大学、南京工业大学等高校，以及杭州朗迅科技有限公司等企业开发了各种无人机实践创新教学平台。

电子科技大学开发无人机实践平台以STM32系列ARM芯片作为主控芯片、R5F100LEA为辅助芯片主要用于图像识别的无人机遥感相关课程，可以实现找寻特定物品、投递物品、规划路线飞行等遥感实验[3]。中国石油大学开发的无人机教学平台基于Odroid嵌入式系统。该平台运用模块化设计，通用性强、开源开放，扩展性强，学生可以二次开发[4]。南京工业大学开发的无人机平台基于TI公司的C2000 Launchpad电子设计竞赛平台，同时引入树莓派视觉模块，学生通过该无人机平台的设计，可以掌握基本的单片机、传感器、自动控制等方面的知识[5]。

杭州朗迅科技有限公司开发了LK200SLK300LK400、LK-UAVSDK无人机综合实训平台、LK-ATL300空地协同综合实训开发套件等无人机相关套件，涵盖了无人机的大部分应用场景。其中LK200无人机应用开发平台由无人机、遥控器、OpenMV视觉模块等组成。LK200可进行基本的飞控、无线通信、计算机视觉的实验[6]。

3 基于无人机的创新能力培养课程体系

高职课程培养体系大多重视技能的培养，学生反复训练某一项技能，已达到熟练掌握某项技能的目的，而创新能力是在专业领域提供有价值的新方法或新发明的能力，高职对创新能力培养有所欠缺。无人机的趣味性、应用场景的广泛性、可扩展性都为学生创新能力培养提供了便利。

基于无人机的创新能力培养课程可以分为无人机设计与无人机应用两大类。

无人机设计涉及结构设计、硬件设计、软件设计。无人机硬件上主要由以下几部分组成：飞控、传感器、电调、无刷电机、螺旋桨、电池、无线遥控器等。软件上主要是飞控系统，可以分为驱动层、分析层、控制层和应用层[5]。无人机应用主要是设计应用层软件，应用的场景往往受限于硬件和结构，应用的局限性会进一步促进无人机设计的进步。常见的二次开发一般也是应用层面的开发。无人机应用主要涉及目标识别、图像视频处理、无人机控制等知识，对学生的编程能力要求较高。综合考虑高职的培养目标及学生的接受能力构建课程体系，依托于电子信息类专业，学生们需要学习数字电子技术，模拟电子技术，电路分析、单片机、AutoCAD、线路板CAD等课程。这些基本能满足无人机硬件设计的要求。此外，还需要专门的无人机设计课程将无人机设计相关技术综合到一起。同样也需要专门的无人机应用技术课程将无人机相关应用技术综合到一起。

无人机设计课程涉及无人机设备组装、飞控程序设计、无人机操作等课程。通过组装让学生了解无人机的结构与组成，提高学生的动手能力，加强对无人机机械结构的了解。飞控程序设计让学生掌握飞控的原理，并能进行简单的飞控实现。无人机操作则让学生学会无人机的操作，完成一些基本的无人机飞行与拍摄任务。无人机应用技术课程主要侧重于视觉处理，从视觉软硬件开发环境搭建到图像基础实验再到图像高级实验，最后是视频处理实验。基础图像实验包括图像格式变换、灰度变换、滤波等。高级图像实验包括轮廓识别、简单物体识别、复杂物体识别等高级图像实验。视频处理实验包括视频读写、视频帧处理、实时人脸检测等视频处理实验。