全尺寸四旋翼无人机教学平台设计与课程开发

温 凯, 陈 缪

(中国石油大学(北京) 油气管道输送安全国家工程实验室, 北京 102249)

1 开发背景

随着无人机跨越式的发展,无人机在各行各业需求速增。在民用领域,无人机用途广泛,它既可以应用于抢险救灾、航测航摄、国土资源管理、生态环境保护、城镇规划与市政管理、土地利用调查、水资源开发等领域,也可用于电力线路巡线、高速公路巡查、移动基站监控、林业部门防火、农业部门测产、病虫害监测与防治等作业[1]。无人机的培训也开始欣欣向荣,在实际的培训过程中,存在以下几方面的问题：

(1) 无人机的理论学习与实践操作是分开进行的,在讲实践的同时不能演示。这种教学模式造成理论教学与实验教学分离、脱节,在时间和空间上不能有机结合。理论教师与实验教师是分开的,课程衔接性差,造成课程安排难度大,对教师要求高。此外,传统的教学模式使得学生的积极性、主动性不高[2]。

(2) 对于无证人员的飞行实践管理更加严格。 2016 年6月,民航局出台了《轻小无人机运行规定(试行)》(以下简称《运行规定》),强调以大数据和“互联网+”为依托,细化分类,对低、慢、小无人机运行实施放管结合的差异化管理,以进一步维护轻小型无人机的飞行秩序,确保运行安全。在《运行规定》中制定了一些确保飞行安全的规定,如无人机驾驶员不得在酒后、药物作用下操纵和架设飞行器、禁止鲁莽飞行等；也有一些技术规范,如无人机必须具有有效的空地信号链路、机身上需注明个人信息等。我国在民用无人机安全飞行和空域管制方面,正在进行着积极而有效的探索和改革[3]。

(3) 无人机实践培训期间发生无人机事故也时有发生[4]。无人机很容易出理事故,比如机械问题、失去卫星信号、地磁传感器错误、图传中断、小型障碍物、返航点错误、突然断电等问题。如果完全依靠真实无人机训练,会存在风险。无人机不像有人驾驶飞机,当有人驾驶飞机出现故障时,飞行员可根据故障情况采取一定措施，尽可能地使飞机安全着陆,但无人机在飞行时若发生故障,则很可能造成飞机坠毁。

(4) 无人机对电池依赖严重,训练时间受限。电池是悬翼无人机的能量来源,同时也是无人机的最大成本项。消费级无人机动力电池依旧是锂电池占据主导。锂电池具有轻巧、容量密度比大、耐用、充电快等优点。而相对其他类型的电池,锂电池自身特性娇贵,供电品质受温度、电流开销、电芯平衡性、放电曲线的影响,而供电品质的变化又反作用于无人机,电源策略不当更是有随时发生空难的可能。过多的飞行练习会导致电池过早失效,致使无人机实机训练隐性成本增加、训练费用过高。

针对以上在无人机培训过程中存在的问题,我们开发一种室内全尺寸四旋翼无人机教具平台,把实际操作同理论学习有机的结合起来,将理论教学与实验教学融为一体,即理论与实验同步进行[5]。该平台的一些专门针对室内应用的设计,能使学生实现边学边用的目的,更加快速和深入地掌握无人机的相关知识和技术。基于无人机教具安全性和透明式设计,无人机教具适用性广,从小学到初高中、再到大学甚至工作群体均适用,只要对无人机稍感兴趣,就可以通过该教具参加无人机的学习,使无人机课程更加通俗易懂[6]。

2 无人机教学平台设计

2.1 硬件介绍

无人机教学平台硬件部分主要包括无人机本体、遥控器和支架组成(见图1)。无人机本体采用650大四轴碳纤维折叠机架,在飞行体验上同市场销售的无人机尺寸完全一致。平台飞控系统采用APM开源硬件,集成了姿态传感器、磁场罗盘、气压计等,飞行控制单元通过串口同机载处理器进行通信,可以进行多种场景的二次开发。

图1 无人机教学平台硬件

无人机机架采用四座球头轴承实现,底部加装200块车用金属配重。无人机本体同支架采用相机用快接连接,方便无人机的快速拆装。无人机的控制采用6通道2.4 GHz遥控器,控制距离达到500 m。无人机平台通过无线数传可以将飞行状态实时传输到计算机端,将自身的飞行参数、位置信息以及姿态数据显示在大屏幕上。为了实现飞行时长不受限制,该无人机没有采用常见的锂电池供电方式,而是更换成了民用电的供电方式。

2.2 使用说明

开始使用时,首先将无人机电源接上民用电,打开电源。当听到电机发出滴滴的响声时表明无人机上电完成,正常工作。

此时打开计算机,在计算机上连接APM_WIFI,将无人机同计算机数据通道连接起来。然后,打开地面站调试软件Mission Planner。界面见图2。

点击图2右上角的CONTECT(连接),端口选择TCP模式,波特率选择115 200,设置IP为192.168.0.99,端口57 600。当界面数据开始变化时,说明成功连接。最后,将遥控器开机,4个开关调至最上端,左摇杆调至最下方,将左右操纵杆分别置于右下和左下进行解锁,完成遥控器正常开机。此时,可以进行无人机的飞行操作和参数讲解。

3 无人机课程设计

由于市场需求旺盛,当今已有多家被AOPA授权的大型培训机构。同时,各大高校纷纷开设无人机相关专业,志在为国家培养一批“高精尖”的无人机人才。北京航空航天大学、南京航空航天大学、西北工业大学等知名高等学府均开设无人机科系。各种小型培训机构层出不穷。北京的初高中已经有一些学校相继开设无人机课程,学校教育方面将对无人机课程需求增加[7]。

一般的商业无人机操作人员培训包括3个环节,理论学习、模拟操作及实践飞行。理论学习内容包括民航的法律法规、无人机原理、系统组成、装机调试等。实践飞行训练主要考查4个项目,即4 s 360°全停、四方位全停、水平八线、地面战略使用等。学校内的课程则更加繁杂,大学的常见内容包括数学模型、控制算法、自动驾驶等偏科研内容；中小学则多是涉及无人机的操作实践、航拍以及无人机的DIY等内容[8]。

图2 无人机地面站软件界面

针对上述情况,我们在本教具的基础上,开发了配套课程。课程内容包括基础知识、基本原理、课堂模拟、课外应用等4个模块,主要解决What、How、Why 3个问题,分别面向初级入门、中级应用、高级研究等3个层次的人群。

专业基础理论的内容可以通过点选无人机不同组件,在计算机端自动跳出相应的学习内容[9]。主要包括无人机各分系统及主要部件的工作原理、性能指标、结构组成、功能作用及使用维护等。我们将相应的内容统一编成多媒体教材库,以Flash动画、数字语音、照片、图像和视频等形式,与无人机互动呈现在大屏幕上进行展示,学生可自主点选查看；部件级理论知识既可以按系统级理论知识的模式进行查看,又可以互动查看,采用这种方式可以增强理论知识学习的针对性,真正做知识内实物对应,提高学生学习的直观性。

不同于一般的室外飞行教学[10],飞行操作训练可以完全在室内展开,由于无人机在无动力时由底座支撑,安全有保证。室内飞行也不需要相应的空域,可以随时飞行。全尺寸平台使学生在飞行过程中能够达到真正室外飞行的实际体验。飞行控制具有模拟遥测参数显示、飞行航迹显示、飞行姿态仪表显示、模拟飞行指令编制、飞行控制及模拟实时监视系统工作状态、异常报警显示等功能。这些功能是无人机教学和培训中常见的训练科目和内容。教师能够根据教学目标编辑、设置训练任务、训练条件、初始环境,并根据下达的训练任务,自动生成仿真训练环境和训练方案。平台可以实时返回飞行信息,实时监控、实时修改任务、实时设定特殊情况等功能,同时具有操作训练的演示、记录、回放功能,以提供成绩评判依据,最后将训练结果进行记录存储,根据需要查询训练的相关资料。

4 实际应用

无人机技术是一门涉及多学科、跨专业、应用广泛的综合性科学技术,涉及对机械工程、嵌入式系统、地面站软件等多方面内容的理解与应用。但现有的教学一般只侧重单一内容,无法将所学知识作为整体在一个平台上集中体现[11]。本无人机教学平台,在结合所需知识的基础上,将实际操作同课堂教学结合,让学生将书本中的知识运用到实际操作中,在巩固理论知识的同时提高了动手能力。

在大学的科技创新课堂中,选课学生对该平台可以亲自动手操作表现出浓厚兴趣。我们根据此平台开设的中学无人机课程,成功入围相关学校的科学实践课程中。在同类课程,学生的选课人数达到班容量的100%。通过2个学期的学习,零基础的中学生不仅能够熟练操作无人机作出复杂的飞行动作,对于无人机的理论也是理解深入。有条件的学生更是能够通过自主购买基础零件,独力组装出自己的无人机。

5 结论

本无人机教学平台采用全尺寸实物仿真方式,建立逼真的无人机飞行训练环境,大大提高了培训效率,降低学习难度,缩短培训时间[12]。该平台的开发将现代高新技术与传统理论教学有机结合,在降低硬件投入的基础上,帮助学生深入了解无人机技术的实际应用,让学生对理论知识有了深刻理解。