以系统能力为导向的无人机系统开发综合实践教学探索

李俊杰，谭德立，王千秋，罗先录

摘要：针对目前计算机系统能力培养存在的课程之间彼此孤立、缺乏系统级综合实践环节的问题，利用当下主流的开源软硬件資源和通用的机器人操作系统，有浅至深，提出了一种有效的无人机系统开发实践教学方法。实践表明，学生不仅从工程应用角度快速掌握无人机系统开发，提升了工程实践能力，同时提升了对计算机软硬件、系统能力的认知。

关键词 ：系统能力;实践教学;无人机系统

中图分类号：TP311     文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）19-0152-02

1 引言

计算机系统能力主要培养学生开发时的系统观和系统方法，围绕学生能够独立软硬件系统齐全，能真实反映计算机系统基本运行原理层次结构、清晰完整的计算机系统的目的，提供具体的实施的建议，其特点是多课程联动，注重课程间知识点的有机衔接。加强计算机类专业学生的系统能力培养，注重提升学生实践能力，已经成为教育界、学术界和工业界的共识。

无人机技术作为物联网技术发展的一个重要领域，近两年来在市场逐步兴起并迅速升温，随着国内低空领域的放开，无人机行业的发展出现了井喷的态势。随着国家“创客”“双创”等政策大力支持，技术创新导向的创业教育迎来了新局面，各种电子设计大赛，创新创业比赛中与无人机、人工智能相关的课题越来越多，大学生对无人机的关注也越来越多。为了更好地培养适应新技术发展的、具有系统设计和系统应用能力的计算机专门人才，我们需要对原有的实践课程体系进行改革，需要设立系统级综合性实践课程，使得核心课程之间内容联系更紧密、衔接更顺畅[1-2]。因此，将计算机系统能力的培养落实到无人机开发的实践教学中，是一个创新的结合。无人机系统开发是一门多学科交叉的实践课程，涉及高等数学、大学物理、模拟/数字电路、C语言、单片机、移动应用开发等多门基础知识，运用到自动控制原理、信号处理与测试技术、飞行器导航系统、计算机视觉、人工智能等专业知识，这些正是计算机系统能力培养的素质，是培养软硬兼通的计算机专业人才的重要实践案例。

2 梯度综合实践体系

培养适应计算机新技术、新问题、新领域发展的人才，我们必须要从易到难，从可以实现到较高目标定位来逐步提升学生自身分析能力、技术能力，落实系统能力的培养。以计算机系统能力为导向的无人机开发实践课程，在实践的同时注重计算机系统能力的培养，由浅入深、层层剖析飞行器控制原理，控制算法，软件实现和传感器应用等内容，从工程应用角度，帮助学生快速掌握无人机开发基本原理，深入理解计算机专业基础知识，提升学生综合实践能力。在课程开展过程中，学生的兴趣将会被动手组装操作飞机、飞机调参，嵌入式开发，算法物理意义探索、软件编程等问题逐步吸引和调动，不断提出自己的想法，发散思维进而实现技术导向的创新创业。

1）基础能力训练

本阶段实践目标集中在让学生感性地认识无人机系统，激发学习主动性。这一阶段学习涵盖了无人机系统组成、四旋翼飞行器基本知识、飞行原理、DIY四旋翼无人机组装调试、动力装置、飞行控制技术等基础知识，让从未接触过工程项目的学生从零开始进行工程思维与能力的训练。教师以实际问题为导向，讲授基础知识点，并重点讲述当前无人机核心技术和难点。基于专业所学课程，比如：模电、数电、电路、C语言等课程，以无人机为教学载体，让学生通过动手实践进行多学科的实践、验证、开发，巩固所学的专业基础知识，为后面两个阶段进行无人机创新研发实践指引方向和奠定理论基础。学生则通过动手实践巩固强化四旋翼无人机的基础知识及工作原理。

2） 专业能力训练

无人机系统开发涉及无人机设计原理、空气动力学、自动化、电子信息、嵌入式、软件开发、人工智能、计算机视觉、机械设计等技术。在学习了无人机基础知识的基础上，本阶段的实践内容将教学内容模块化，根据各个专业的特长，因材施教，有针对性地进行训练，鼓励和引导学生主动去探索和解决问题。

（1）软件工程专业移动应用开发方向可以进行手机终端App开发、无人机地面站软件开发，与底层硬件通信，远程遥控;

（2）软件工程大数据与机器学习方向，可以以无人机机器视觉为载体开展障碍物检测、目标跟踪等视觉类课程，以无人机深度学习自主导航为载体开展人工智能类课程;

（3）针对电子信息工程专业，开源飞控、姿态传感器模块介绍，对飞机的路径、高度、避障方式等做二次开发，以无人机的飞控和各类无人机传感器为载体，开展具有特色的嵌入式课程。

根据技术难点，定期开设技术专题。

（1）超声波避障专题：超声波避障原理、超声波测距程序编程调试;控制板与飞控通信方式;接上控制板进行地面调试;接上控制板试飞，参数调节等。

（2）视觉巡线专题：视觉巡线原理，摄像头程序编写调试。

（3）计算机视觉专题：针对光伏行业飞机拍摄的图片，进行坏点检测，模式识别。

3）综合能力训练

通过基础能力训练与专业能力训练两个阶段的无人机基础理论学习、子模块开发与子系统设计的全过程训练，学生已初步具备无人机设计、开发和组装调试能力。在本阶段，学生对接毕业设计、学科竞赛和创新实践，将所有知识串联起来，完成一个具有创新型和实用性的无人机系统研制。软件工程专业和电子信息工程专业学生根据自己的特长，选择无人机开发的切入点，自行组队，针对某一应用场景，如用于电力线路巡线、高速公路巡查、空气质量探测、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等，开发具体的应用案例。实践的重点是要充分调动学生的自主学习能力和分析问题解决问题的能力，激发学生的求知欲和创造潜能，引导学生探索无人机系统、图像处理、人工智能、边缘计算等前沿技术。

3 结论

将计算机系统能力的培养落地到具体的一个无人机开发的综合实践，其中涉及硬件开发、嵌入式开发、软件开发、人工智能及计算机视觉等技术点，打破课程间、学科间的壁垒，提升了知识点网络的黏性与组织能力，可操作性强，对学生计算机系统能力的培养具有重要意义。

参考文献：

[1] 王志英，周兴社，袁春风，等.计算机专业学生系统能力培养和系统课程体系设置研究[J].计算机教育，2013（9）：1-6.

[2] 罗先录，谭德立，张永棠，等.应用型本科计算机类专业系统能力培养课程体系[J].软件工程，2016，19（2）：55-57.

[3] 曹凯，马贝，王翔武.四旋翼飞行器控制系统设计[J].计算机系统应用，2018（27）：61-65.

【通联编辑：李雅琪】