基于四旋翼无人机赛题的嵌入式教学改革分析

李佳 赵雪坤 肖天浩 田子一

摘 要：全国大学生电子设计竞赛是教育部和工业和信息化部共同发起的大学生学科竞赛，自2013 年开始每年的电子设计竞赛基本都会出现一道四旋翼无人机相关的赛题，题目考察的关键是学生对控制飞行器的姿态以及视觉图像处理能力。无人机赛题是一个典型的复杂工程问题，涉及多方面的知识和难点，对电子类学科课程体系和课程内容的改革尤其是嵌入式系统课程具有非常重要的借鉴意义。

关键词：四旋翼无人机;嵌入式系统;教学改革

0 引言

全国大学生电子设计竞赛（National Undergraduate Electronics Design Contest）是教育部和工业和信息化部共同发起的大学生学科竞赛之一，目的在于推动高等学校促进信息与电子类学科课程体系和课程内容的改革[1]。近年来，该比赛已经成为全国规模最大、认可度最高的电子设计竞赛，也是电子类同学参赛热情最高的科技竞赛之一，2020年仅河北省就有来自河北工业大学、燕山大学、北华航天工业学院等45所院校的279支代表队参加比赛。电子设计竞赛的选拔、集训和比赛是一个非常漫长、复杂的过程，对于教师而言，指导学生参加比赛，在备赛的几个月的时间内和学生一起分析历年题目，解决问题，可以促进教师对教学进行反思。

1 电子设计竞赛四旋翼无人机题目简介

在2020年TI杯大学生电子设计竞赛中，四旋翼无人机比赛题目为“绕障飞行器”，飞行器活动区域用黑色边框标记。地面上标有起飞点与降落点，并且还放置了2个杆塔;起飞点用空心黑色矩形框标识，降落点用实心黑色圆标识，杆塔有红、绿两种颜色。要求如下：

飞行器从起飞地点垂直升高到 150 cm±10 cm的巡航高度。

巡航飞行中发现杆塔，以声音提示，并用与所发现杆塔相同颜色的LED闪烁数次指示。

在巡航高度以杆塔为中心，绕所发现的杆塔抵近飞行一周（360°及以上）;绕飞时飞行器与杆塔最近点距离在 50 cm±10 cm;在红色杆塔，飞行器沿顺时针方向（顶视）绕飞，在绿色杆塔，飞行器沿逆时针方向（顶视）绕飞。

飞行区域中所有杆塔均被发现并识别、绕飞后，寻找降落点标识，缓慢平稳准确地降落在降落区域内。

整个飞行过程用时不得超过5分钟。

2 四旋翼无人机题目关键技术分析

四旋翼无人机性能灵活，移动迅速，在空中有6个自由度。题目的难点是无人机在靠近避障的过程中检测障碍物以及规划安全路径，在要求的巡航高度下稳定飞行，需要学生进行飞控程序设计，进行高度以及姿态解算，然后利用PID算法控制四旋翼无人机。

2.1  整体设计方案

绕障飞行器选用四旋翼无人自主飞行器，利用TI公司的MSP432P401R单片机为主控芯片，主控模块根据PID控制算法通过PWM方式驱动飞行器四轴电机，完成指定飞行动作。采用6轴传感器MPU6050作为姿态传感器，测量数据经过卡尔曼滤波以及二阶互补滤波融合处理，获取实时姿态数据，并且通过算法控制飞行器平衡。绕障飞行器采用激光测距传感器检测飞行高度，对飞行高度闭环控制，使用OpenMV模块进行图像识别与处理，识别杆塔的颜色，从而实现绕障飞行。

2.2  飞行姿态控制技术

飞控是四旋翼无人机的核心，飞行、悬停，姿态变化等都是由多种传感器将飞行器本身的姿态数据传回飞控，再由飞控通过运算和判断下达指令，由执行机构完成动作和飞行姿态调整[2]。考查学生自动控制理论、数字信号处理、PID算法、卡尔曼滤波与组合导航系统设计知识的掌握情况，并要求學生具备较强的C语言编程能力。同时还要掌握配合飞控的传感器的用法，例如陀螺仪姿态模块、激光测距模块、气压计模块、超声波测距、光流模块、OpenMV图像识别模块等，多传感器的程序融合对学生编程也是一个挑战。

2.3  图像识别技术应用

四旋翼无人机基于视觉的自主导航是目前的一个研究热点，全国大学生电子设计竞赛命题组敏锐地把握这个趋势，并将其体现在竞赛题目中。OpenMV摄像头是一款小巧、低功耗、低成本的模块，2017年开始在电子大赛中出现身影。学生可以通过高级语言Python脚本完全控制OpenMV，包括IO引脚，很容易在机器视觉算法中处理复杂的输出。OpenMV的应用范围非常广泛[3]，它的出现也让四旋翼无人机比赛变得简单，其自带图像处理库具有颜色识别追踪、圆形检测等功能，学生只需要写少量的代码，调用一下API接口函数就可以实现相关功能，简化了图像处理的难度，也增加了学生的学习兴趣。

3 电子设计竞赛引发嵌入式课程教学反思

3.1  构建“互联网+”教学体系

近几年，随着互联网的快速发展以及智能手机的普及，在线教育平台越来越多地成为教学的一种手段。新冠疫情的爆发加速了课程在线教学的普及。对于嵌入式系统这门课而言，部分院校会把该课程放到大三下学期，由于课程综合性比较强，而且教学课时非常有限，所以在课程教学过程中，课程内容的选择非常重要。除了进行传统的线下课堂教学外，还要充分利用好学习通、雨课堂、腾讯课堂等在线教育平台，建立开放的嵌入式系统课程在线教学体系，灵活地融入网络教学资源以及丰富的实践案例，开拓学生视野。教师通过软件的沟通功能，达到“一对一”的效果，加强师生互动，提高学生求知欲，增加学习动力。

3.2 竞赛题目内容纳入教学实践

嵌入式教学实践环节对学生理论联系实际，提升动手能力非常有帮助。目前，教学中缺乏一定完整功能的综合性实验项目和设计性实验项目，因此可以参考历年电子竞赛题目进行设计，以培养学生具备初步工程实践能力为目的，内容上可以包含几个章节的内容，完成一个具体功能的小项目，由指导教师指定或让学生自由选择组队，锻炼其团队合作能力，共同完成项目。教师参与指导过程，根据每个学生实验过程的完整性、实验指标点完成情况以及对实验报告的规范性，进行评分。

3.3  转变学生评价方法引导学生自主学习

如果按传统的教评体系，以考试成绩作为衡量学生好坏的唯一标准，将大大打击学生动手实践兴趣。应该从基本知识、基本技能、创新实践能力、实验报告各方面进行综合评价，缩小理论考试成绩在最终成绩中的比例，增加实践成绩的比重，充分提高学生参与实践的积极性，重视学生完成综合项目的参与讨论过程、团队合作意识、书写规范实验报告的能力培养[4]。学生评价体系的改革以提升应用能力为目的、以竞赛为动力、分层次有步骤地推进教学改革。

4 结语

嵌入式技术是电子信息工程一门重要的专业课程，电子设计竞赛的开展，其题目新颖，紧跟工业领域热点技术，可以提升学生的学习兴趣。四旋翼无人机赛题本身就是典型的嵌入式应用案例，集合了电子类学生的多门专业课。教师通过指导学生参加竞赛为契机，进行教学反思与改革，深入贯彻科教融合理念。学校引导教师实现教研统一，培养具有良好素质和社会责任感、持续的学习与发展能力、较强的专业能力与创新能力的电子信息领域高水平应用型人才[5]。

[参考文献]

[1]李鹏.浅谈全国大学生电子设计竞赛组织与管理工作[J].才智，2016（11）：223.

[2]张皓焱，刘新.基于视觉处理的四旋翼无人机自主导航系统设计[J].无线互联科技，2020（9）：35-40.

[3]田渠，罗淦，尹海涛.基于OpenMV的智能跟踪小车设计[J].计算机测量与控制，2019（8）：167-170，176.

[4]王冠军，江海峰，林果园，等.“电子信息+”背景下嵌入式系统教学设计与实施策略研究[J].软件导刊·教育技术，2019（12）：34-36.

[5]张凯龙，吴晓，苗克坚.面向新工科的嵌入式系统知识体系创新研究.无线互联科技，2019（9）：110-114.

（编辑 王永超）