无人机系统本课实践类课程设计与建设思考

马兆伟 贾圣德 牛轶峰 吴立珍

（国防科学技术大学 湖南·长沙 410073）

0 引言

近年来我国对无人机装备日益重视，是加快军事智能化发展的重要体现。近年来，无人机系统的广泛应用引发各国军事领域的关注，无人机相比有人战斗机具有以下优势：

（1）无人机系统以任务为中心设计，不必考虑乘员需求。无人机相比有人战斗机可具有更高的过载机动能力，不仅可以快速取得攻击优势，同时大大降低被敌方杀伤概率，极大地提高了生存力和作战效能。

（2）研制和使用费用降低，作战效费比高。无人战斗机的研发和生产成本大约为同样性能的有人战斗机的三分之一，操作和维护费用大约只为有人战斗机的四分之一。

（3）可在高危环境执行任务。无人机可遂行高危险性作战任务，更高的隐身性能将大大提高其突防作战能力和生存力，实现“非接触”“零伤亡”作战，无人员伤亡，适应政治和军事需求。

（4）无人机适合开展敏捷化响应行动。例如，在阿富汗战争中使用的“捕食者”无人机，可一次升空盘旋24小时，由于装备先进的传感器和卫星通信数据链，可在昼夜和全天候环境下提供实时视频图像，使得从侦察到情报核实、下达作战任务的整个过程时间，不到五分钟。

为了在本课培养体系中培养无人机相关人才，本文介绍了瞄准本课教育的无人机实践类课程的建设内容以及建设思路。课程内容根据无人机系统的观察、判断、决策、行动(oberver-orient-decide-act,OODA)运用回路，开展教学内容设计，使得回路中每个单元都有相关内容呼应，例如观察单元对应课程中的无人机任务载荷信息处理部分。以 OODA回路为牵引设计课程内容，培养学员对于无人机应用的系统性观念，根据回路中各单元的需求，重点掌握单元所需的理论知识，适应信息化、智能化条件下无人机系统的作战应用背景。

1 无人机系统实践课程教学目标

无人机系统实践类课程主要面向无人机系统相关专业的本课学员开设，课程主要结合小型固定翼开展无人机组装调试、无人机飞行操作、任务规划、链路测控、情报处理、维修保障等相关的课程内容项目，强化“动手组装、编程实现、飞行实操”等实践环节，为学员打牢在相关岗位掌握实操技能的基础。课程主要达到三级教学目标：

1.1 知识目标

学员通过课程实践，充分掌握典型小型固定翼无人机系统的组成，了解典型无人机系统的使用、维修的案例，对任务载荷技术、无人机测控和信息传输技术等关键技术加以有效运用。

1.2 能力目标

课程实践建立在学员前期所学课程的基础上，结合无人机实践课程使学员具备将所学理论知识与无人机结合运用的能力、针对具体无人机应用设计算法并编程实现的能力。结合具体的无人机系统使用，具备无人机飞行控制、发射回收、机载侦察设备操控、无线通信系统管理、导航定位、侦查数据分析等能力。

1.3 素质目标

课程侧重于小型固定翼无人机装备的飞行操作、案例教学、任务设计，使学员能够了解小型固定翼无人机的理论素质，实现典型无人机系统的组装、调试、测试和飞行全流程实操，具备无人机系统的操作、链路测控、情报处理、维修保障等工程素质。

2 无人机实践课程教学理念与方法

无人机系统实践类课程实践性较强，相比理论课更加考核学员的动手能力，所以在教学过程中以学员为中心，引导学生自我学习与实践，发挥学员的主观能动性，在无人机实践中“发现问题—解决问题—思考问题”，教学过程中，采用四个结合的教学方法开展实践类教学：

（1）采用启发式教学和趣味教学相结合的方式。比如，在教授三角翼无人机调试时，引导学员思考舵面偏转和无人机滚转角度、俯仰角度的关系，通过结合空气动力学和实物讲解三角翼传感器矫正的必要性。实操过程中，会采用个人赛的形式考核学员对于三角固定翼无人机的组装过程，使得课程过程中趣味性增强，激发学员的积极竞赛求胜的心理。

（2）采用理论讲授与编程实践相结合的方式。授课过程中会结合无人机的任务想定开展教学，例如需要对地面的目标进行检测识别，教学实施过程中会首先讲授算法的原理，课上现场指导学员利用编程实现，并基于学生的编程代码规范以及算法效果现场评判学员的成绩。

（3）采用教员引导与学员探究相结合的方式。无人机系统实践类课程的特色体现在学员的个体动手能力上，施教过程中教员主要采用引导的方式，主要以介绍无人机系统原理、无人机实验实施步骤以及注意事项为主，学员自我探索组装无人机，以团队协作完成实验任务。

（4）采用现场考核与现场点评相结合。根据课程设置的不同实验项目，课程授课教员采取观测点现场打分的形式，考核学员对于实践科目的完成情况。并针对学员在实践过程中所遇到的问题以及错误的操作，及时课上点评，加深学员对于每一个科目的细节掌握程度。

3 无人机系统实践课程内容设计

3.1 总体思路

实践课程主要瞄准培养学员的动手能力以及团队协作能力，课程内容分为个人科目和团队科目，团队任务的技术基础来源于个人项目，又增设了递进式任务，整个课程内容设计如图1所示，主要包含：无人机组装调试、无人机任务航线规划、无人机飞行试验以及无人机机载任务载荷感知信息处理模块等内容。课程上课周期持续1周，课程内容设计按照递进式逐渐增加课程难度，围绕无人机OODA回路进行科目设置，课程首先以个人组装小型三角翼无人机入门，增加学员对于实践课程的兴趣，以此作为后续小型三角翼手控飞行个人项目、大型三角翼组装团体项目的基础；任务航线规划模块主要以地面站以及无人机飞控为基础，进行航线设计以及地面监测无人机状态，以此作为后续大型三角翼自主航线飞行的基础；无人机飞行试验为整个课程内容体系的最重要模块，集成了无人机模拟飞行、遥控飞行、自主飞行各类飞行模式，并以此作为无人机机载任务载荷感知信息处理的基础。

图1：无人机实践课程内容设计

3.1.1 无人机组装及调试

实践课程所采用的无人机为三角翼无人机，如图2所示，整个无人机翼展650mm，由机身、动力装置和飞行控制系统组成，其中所采用的飞行控制系统带增稳功能，含陀螺仪、加速度传感器等的自平衡陀螺仪系统。整个三角翼系统以零配件的形式分发给学员，学员需要按照实验指导书完成三角翼无人机的组装以及系统调试。调试过程中涉及到学员前序课程中所学的无人机飞行控制原理的相关知识，引导学员根据三角翼的飞行状态调试舵机的控制逻辑，将所学无人机的控制知识应用到实际的物理系统中。

图2：课程实验设备图

3.1.2 无人机任务规划模块

任务规划实验主要树立学员对于地面站的概念认知，通过无人机地面站现飞行操控、任务规划、参数整定等。常用的开源地面站软件由有MissionPlanner、QGroundControl等。课程实验所采用的地面站为QGroundControl，可用于飞行器起飞前对 Pixhawk自驾仪进行传感器校准和参数调整等初始化工作，Pixhawk是一款高性能自动驾驶仪，适用于固定翼，多旋翼等多种无人机平台。在飞行过程中通过无线数传模块接收并观察到飞机的实时飞行状态，学员根据飞机飞行状态进行在线参数调整，其工作界面如图2所示。学员根据任务计划以及地图信息，设计无人机的飞行航线，在保证无人机飞行安全情况下，开展预定的飞行任务。此模块主要依托团体小组完成翼展1米的大型三角翼组装后，实现全自主的航线飞行。

3.1.3 无人机飞行试验

无人机飞行项目模块主要分手控飞行以及自主飞行两个模块。手控飞行以学员自主完成组装的小型三角翼飞行考核，学员首先以前期的商用模拟器机上模拟飞行训练为主，熟悉遥控器的各个摇杆的功能，在此基础上，实现对于小型三角翼的实飞科目。在此基础上，学员以4-5人组成小组，根据组内设计的无人机飞行航线，完成大型三角翼的全自主航线飞行。通过此科目学员可以实现对于无人机的飞行技能的初步入门掌握。

3.1.4 无人机感知信息处理

课程以一个具体的任务想定为牵引，引导学员完成对于目标检测识别。以机载的摄像头作为信息的获取手段，通过大型三角翼搭载相机、地面站获取实时图像数据的方式，结合霍夫圆检测的基本算法，实现无人机下视视野条件下任务区域的圆形目标检测，如图2所示。利用感知信息处理科目的实践，加强学员对于图像信息处理的认识，体验无人机对于目标检测识别的应用，了解无人机对于侦查领域的应用。

3.2 课程的考核方式设置

无人机实践课程根据无人机的典型应用，以小型三角翼作为对象开展课程实践，根据课程内容设计，整个课程被划分为若干科目。课程的实操性比较强，需要现场给予学生指导，故整个课程以设置观测点打分的形式进行现场考核，根据科目的考核量表对于学员的每个科目进行考核。另外，为了加强学员之间的团队协作能力，课程以小组为考核单元，提交课程综合实验的实验报告。每位学员的最终得分以百分制，其中观测点打分占70%，实验报告占据30%（实验报告根据团队分工计算，实行团队内互评打分的形式）。

4 无人机实践课程效果分析

（1）无人机实践课程是多学科课程的综合演练。本门实践课程涵盖了工程制图、无人机飞行控制、无人机任务规划、无人机链路、图像处理等相关课程的知识，学员以此课程为牵引，对于前序课程的知识点可以实现课程体系的闭环。

（2）无人机实践课程构建了课程理论到实践探索的桥梁。对于无人机相关专业学生，个人需求比较明确，急需将所学知识进行转化，通过这类实践课程可以让学员体验以无人机具体对象的课程实践乐趣，强化学员对于无人机系统的模块知识学习。从课程成效方面可以看出，学员对于实践类课程参与度很高，课程的积极性很高，真个课程的教学过程中充分体现了以学员为中心的教学理念，充分发挥学员的主观能动性，让学员从实践中反思理论知识点的难点和关键点。

5 总结

无人机实践课程具有实践性强、集中性、时效性强、知识面覆盖面广等特点，集成了无人机相关领域众多课程的知识点，面向本科学员开设。本文以无人机综合实践类课程为基础，阐述了课程建设的思路以及课程的内容框架。作为实践类课程，围绕无人机OODA回路，紧贴前沿应用，实现了课程理论实践到运用的转化。本文总结的无人机实践类课程的建设思路可为后续实践课程建设进行指导。