基于OBE的“无人机控制系统”工程教育模式研究

秦玉鑫　刘兆瑜　陈宇

摘 要 无人机技术的飞速发展，必将成为未来许多产业不可或缺的组成部分，对于高等学校的电子信息工程专业，开设“无人机控制系统”课程十分必要，针对该课程的特点，通过理论与实践教学相结合，才能有效提高该课程的教学质量。本文根据无人机控制系统的特点，基于OBE工程教育模式，设计了该课程的实践教学方案，不但能够使学生深入理解“无人机控制系统”课程的概念和理论，而且能够培养学生的创新能力，最终提高该课程的教学质量。

关键词 无人机控制系统 实踐教学 OBE 教学模式

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2018.02.046

Research of "Control System of UAV" Project Teaching Mode Based on OBE

QIN Yuxin， LIU Zhaoyu， CHEN Yu

（College of Electronics and Communication Engineering， Zheng Zhou University of

Aeronautics， Zhengzhou， Henan 450000）

Abstract The rapid development of UAV technology will surely become an indispensable part of many industries in the future. For the colleges and universities of electronic information engineering， it is necessary to open the courses of “Control System of UAV”. For the characteristics of the course， an effective way to improve the quality of teaching is the combination of theory and practice teaching. According to the characteristics of this course， this paper designs a practical teaching plan based on the OBE engineering teaching mode. The program enables students to understand the concepts and theories of “Control Systems of UAV”. It also can develop students' ability of innovate， and ultimately improve the quality of teaching this course.

Keywords UAV Control System； practical teaching； OBE； teaching mode

0 引言

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）作为一种能够实现远程控制或自主飞行的非载人飞行器，与有人驾驶的飞行器相比具有许多突出的优势，首先无人机基本能够实现有人驾驶飞行器的大多数功能，能够携带有效载荷，可以执行运输、航拍、监测、遥感测绘等任务，同时在能源供给充足的条件下可以连续飞行执行任务，无需进行人员的休息。无人机的这些优势，促使无人机产业得到了迅猛的发展，根据相关数据，仅2014、2015、2016这三年的时间，中国无人机工业的规模达到了近53亿元的产值，根据近年的增长速度，到2020年无人机产业将达到165亿元的市场规模，发展前景广阔。

2017年4月，教育部发布了2017年全国高校本科专业新增的审批名单，其中包含了7个与无人机相关的专业，说明国家对无人机相关技术领域的本科教育越来越重视。无人机的相关技术涉及面非常广泛，是一个典型的交叉学科，包括空气动力学、材料学、机电一体化、自动控制、人工智能等等，对于无人机系统而言，最为核心的就是无人机的飞行控制系统，通过对无人机控制系统的学习能够使本科生将所学到的知识得到一个综合的应用，对提高本科生的实践和创新能力大有帮助。

1 课程工程教育实践环节的必要性

1.1 课程对实践的需求分析

对于大学生的本科教育而言，其中有一个非常重要也是必不可少的教学环节就是实践教学。2007年，国家教育部发布了《教育部关于进一步深化本科教学改革全面提高教学质量的若干意见》，在该意见中明确指出，要求全国的各个本科高等院校，要对实践环节高度重视，培养和提高本科生的实践能力。对于实验、实习、毕业设计等环节，要进行大力的加强，并对教学中实践环节的累计学分进行了量化规定，要求人文社科类专业的实践环节累计学分应大于总学分的百分之十五，理工类应大于百分之二十五。通过对实验内容和形式的不断革新，提高本科生的动手技能，培养学生分析和解决复杂问题的能力。

无人机控制系统是一门实践性很强的课程。首先，该课程是一门涉及到多个领域的交叉性学科，包括：“电路”、“模拟电子技术”、“数字电子技术”、“自动控制原理”、“通信原理”、“数字图像处理”、“无线传感器网络”等多门学科，所以本课程在内容讲授时较为抽象，理解难度大，具有较强的理论性，同时涉及到的知识点和知识面较宽，同时也比较考验学生的基础数学和物理的能力水平，所以如果只有理论教学没有实践教学，会使学生在学习本课程时较为困难，同时容易丧失学习的兴趣。在对该课程的教学过程中，基于OBE工程教育模式，加强实践教学手段，通过实践教学，使学生更加直观、具体的学习无人机控制系统相关内容，加深对知识体系的理解。其次，无人机系统在飞控调试方面，虽然可以在模拟器上进行调试，但最终还是需要在实际的无人机上进行飞行试验，所以实践教学不仅是课程本身教学的需要，同时，通过对无人机进行组装和调试，加强学生的实际操作和动手能力，培养学生掌握一门无人机实际操作的技能。

1.2 课程对实践的要求分析

根据无人机控制系统课程的特点，首先要达到加强学生对理论知识的理解，对基本控制方法的掌握；其次要将书本上所学的知识用于实际的问题当中；三是增强学生对无人机领域的兴趣，对兴趣较高，学习能力较强的学生进行专项培养，力争培养出更多的专业人才。

在实践教学的过程中，还要注重因材施教，因为学生的理论知识水平和兴趣点有所不同，在进行试验方案的设计时必须要兼顾较短时间和最大程度地使学生得到锻炼。通过必要的实验设备和实验方案，结合无人机领域的发展现状，在关键问题上充分发挥学生的主观能动性和创造力，提高实践教学的效率和水平。

2 课程的实践方案设计

目前比较常见的无人机为多旋翼式无人机，这种类型的无人机结构相对简单，易于控制，较固定翼无人机操纵灵活，机动性强，所以本方案选用四旋翼式无人机作为实验对象。无人机控制系统当中，最关键也是最为核心的问题就是旋翼的控制，通过对旋翼进行控制，产生不同方向的升力，用于控制无人机的姿态和航向。根据此特点，郑州航空工业管理学院电子信息工程专业建设了无人机创新实验室，用于无人机控制系统课程的实验。

在实验设备的选择上，根据当前国内无人机实验设备的发展情况，并结合该课程的特点，对实验设备进行了选型。首先在无人机的选择方面，选定了四旋翼的无人机散件，学生通过对散件进行组装，不仅锻炼了学生的动手能力，同时可以帮助学生对无人机的结构进行全面的了解，为后续的实验奠定良好的基础。每一架同时配备有地面站，当无人机飞行时，地面站可显示无人机的飞行状态，实时传输飞行数据和图像，如图1所示。地面站通过与无人机间的数据传输，能够直观地使学生认识到无线通信技术和数据链相关的技术，并且通过对该技术的运用，培养学生实践能力，加深学生对“通信原理”、“数字信号处理”等理论课程的理解。

“无人机控制系统”课程讲授中，由于无人机旋翼控制方面最核心的知识是对电机的选择和控制。电机控制旋翼产生升力和扭矩，控制每一个电机的转速，就能够对无人机的航向和飞行高度与姿态进行控制，同时不同尺寸的机架要配备不同马力的电机，为了使学生对旋翼产生的升力和扭矩有一个直观的认识和理解，同时便于测量旋翼产生的升力和扭矩对整个机体的影响，设计了飞行器动力系统拉力和扭矩测量系统。该系统的组成为高级电机、旋翼、电调、动力电池，其测试结果可用于系统方正建模，参数的获取，以及校准动力系统参数，设备如图2所示。

该测量系统采用，封闭式箱体设计，实现100%安全防护，箱体上开有气孔避免外界因素对测量结果的影响。适配性设计保证适配各种型号的电机，不同的电机使用不同的夹具。带有转速传感器，可以测量电机转速，实时输出转速和拉力/扭矩曲线，学生可以根据采集的数据，用于四旋翼动力系统建模仿真的输入建模参数。通过接口总线将测量拉力数据实时传输到上位机进行数据显示、存储和后续处理。通过动力系统拉力测量系统可以测量输出PWM-轉速曲线，转速-拉力/扭矩曲线和转速-电流曲线等。

对飞控系统调试技术进行讲解时，借助四轴调姿调参测试系统辅助授课。该系统主要是针对在四轴飞行器外场试飞之前，可以在室内进行简单的束缚飞行试验，从而在安全可靠，不易导致机体损坏的基础上，初步摸底飞行控制算法是否有功能上的调试缺陷，该设备如图3所示，该设备带有全方位保护罩，实现安全防护，悬臂带有角度传感器，可实时将采集姿态信息显示在系统外框显示屏上，同时通过总线把采集实验数据发送到上位机显示并记录，在工控上位机可实时显示还原飞行器内部数据和状态，并存储数据，供后续分析使用。测试系统为初始中性稳态系统，最大程度还原实际飞行情况，最大限度实现与自由飞行状态的无差别3自由度还原。

无人机飞行过程中，陀螺仪和加速度计是极为重要的核心部件，在飞行之前需要对该核心部件进行校准，微机电传感器测量校准系统就是用来完成该工作。借助微机电传感器测量校准平台，检验测量校准飞控开发板板载的MEMS微机械传感器元件的输出数据，从而获取传感器数据的校准系数以及噪声特性分析。校准平台如图4所示。

该校准系统的飞控板夹持式设计，适配各种尺寸的飞控系统。采用行星减速电机，精准控制各个轴转动角度。带有调平角度尺，保证测试时设备水平，测试参数真实有效。

基于OBE工程教育模式对“无人机控制系统”课程的授课形式进行设计，学生通过亲自动手对无人机组装调试，能够保证学生对无人机控制系统核心部件有了一个深入的了解，同时可以根据实验数据进行模拟仿真，对今后无人机控制系统的设计和开发奠定理论基础。借助开源飞控芯片，对学习能力较强的同学，还可以通过自主设计和编写飞控程序，应用已有设计平台完成飞控程序的调试，使学生较为全面、系统和深入的学习无人机相关的知识，为“无人机控制系统”的理论教学提供帮助。

3 结束语

本文基于OBE工程教育模式，将无人机控制系统的理论教学与实践环节进行有机的结合，使学生对无人机的发展，目前无人机的一些前沿科技有所了解，在学习控制理论的同时培养了学生的动手能力，对于有能力的学生，同时深入学习和训练，可以使学生掌握一门前沿的技术，最终达到提高无人机控制系统课程和整个电子信息工程专业的教学质量。

本文受2017年教学调研基金“基于OBE的专业人才培养方案的重构与实施”（No. zhjxdy2017-11）及2017年度郑州航空工业管理学院教育科学研究基金项目“电子信息工程（无人机方向）专业人才培养模式改革研究”（No. zhjy17-41）支持

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