四轴无人机海上救援系统创新实验设计

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摘要：结合当前创新创业教育背景，融合通信学科和自动化学科多门理论课程，设计出基于四轴无人机的海上救援系统创新实验。通过创新项目的确定、实验项目的具体开展，并引入创新性"导师制"教学方法。经过验证，该创新实践项目使学生在夯实理论基础的同时，能够实现多学科知识灵活运用，有效提高了学生工程能力。

关键词：学科融合；四轴无人机；创新实验设计

1概述

《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》明确指出当前高等教育在创新创业教育方面存在重视度不够、与专业结合不够紧密并且针对性和实效性均不到位。为适应创新创业新形势和当前新工科背景，工科学生的创新创业教育水平亟待加强。如何为学生提供一个针对性强、实用性强、对工程实践能力有切实提高的针对性课程是当前高等教育需要考虑的一个问题。

2创新实验项目的确立

现有的实验项目大多是针对单一课程进行设计，无法满足当前社会创新创业的要求。通信学科更多偏向培养学生弱电方面的电路设计、嵌入式应用开发和信号处理方面的能力，在强电方面的培养力度相对较弱，这也使得部分学生在步入社会上无法较好的适应控制方面的工作。自动化本科教育培养方案中的《自动控制理论》课程中涉及到PID算法能够较好的应用在各种常见的工程项目中，也能够较好的配合《信号与系统》、《单片机原理及应用》课程。文献[1，2]中提到的项目驱动式新型教学方法能够将传统教学模式中的“教师主导”转变为新型“学生主导”，能较好的发挥学生的主观能动性。四轴无人机的结构相对简单、容易上手操作，对于本科生实验有可行性，也能紧跟社会潮流。所以可以将该实验项目设置成基于四轴无人机的项目驱动式创新实验项目。当前无人机基本都是在高空中进行作业，缺少在海洋方面的应用，本文以创新实验室为依托，通过学科融合为本科通信类学生提供基于四轴无人机的海上救援系统这一创新实验项目。该项目既能培养学生们的创新意识、创新观念，又能增强学生的工程实践能力。

3创新实验项目的开展

基于四轴无人机的海上救援系统创新实验项目可以分为无人机部分和海上救援部分内容。其中，无人机部分是海上救援系统部分的前提和基础，只有高精度、高可靠性的完成无人机的各种操作，才能为海上救援部分提供可能；而海上救援部分则是无人机部分的功能延伸和具体应用实践。

3.1传授理论知识———夯实基础

基本的理论知识是学生开始了解并有兴趣实现基于四轴无人机海上救援系统的前提。相关理论知识的讲授对于没接触过项目开发的学生是非常必要的。无人机传感器搭载、无人机图像传输、无人机位置处理以及无人机姿态调整分别对应《单片机原理及应用》、《信号与系统》、《自动控制理论》和《传感器与检测技术》课程。海上救援部分则主要用到传感器相关知识，也是《单片机原理及应用》课程中的相关知识。在理论讲授阶段，学生们主要能够了解并掌握常见单片机的使用方法、几种常见传感器工作原理和使用方法、数据传输和图像传输的种类和特点等知识，并针对通信学科接触不到的自动控制PID算法进行详解讲解。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的[3]。

3.2加强工程素养———动手实践

要解决“无人机如何飞得稳”这个问题就需要确定如何通过选取一种或者几种合适的定位传感器来获取无人机的当前飞行高度，如何引入闭环系统通过PID调节来保证无人机始终能够飞行在理想高度并能实时自适应调节减小飞行抖动不至于飞机因为随机干扰跑飞。该创新项目中无人机飞行高度的获取利用了气压计和激光测距传感器模块得到飞机的高度值。要解决“无人机如何飞得好”这个问题就是要解决无人机在飞行同时如何搭载应用类传感器进行任务作业的问题。通过搭载GPS和光流传感器能够获得飞机自身的水平位置坐标，通过搭载激光传感器结合势场法能够获得自身与其他障碍物的距离实现自动避障[4]。无人机搭载红外传感器等生命体识别设备能够实现特殊场景的生命体识别，例如：海上生命题识别。除了搭载传感器，无人机还能搭载相关执行设备去完成特定任务，如搭载相关救生设备在检测到生命体时，进行救生设备定点投递相关操作等。海上救援部分则是通过无人机搭载相关生命体检测传感器和救生设备来实现。学生通过头脑风暴最终决定采用TM4C123G芯片，与电机、电调、MPU6050、超声波传感器、光流传感器、OpenMv摄像头等模块一起构成基于四轴飞行器的海上救援系统。

3.3特色学习形式———多种形式共同推进

在创新实验课程开展的过程中，我们通过理论讲授和学生动手实践并行执行、“导师负责制”两种形式教学共同推进该创新实验课程的进行。在讲授无人机常见结构和工作原理部分，鼓励学生安装无人机机架、确定相关电调、电机和桨叶；讲授单片机部分时则召集学生讨论确定无人机的芯片并鼓励学生们进行实际调试；对传感器的工作方式进行理论讲授时，则让学生同步进行多种传感器的调试使用等等。文献[5]中提到电子信息类创新人才培养过程中可采用跨年级协同的培养方式，通过“以老带新”来实现整个学生创新团队的可持续发展。本文提出的“导师负责制”的教学方法和文献[5]有异曲同工之妙。整个创新实验课程改革团队的教师和个别高年级学长作为负责制的导师，采取分组负责制，由每位导师来负责把握小分组的整体进度、实时鼓励、督促并答疑解惑。“导师负责制”使得该创新实验项目能够做到因材施教。

4创新实验项目的教学成果分析

学生自己组装的四轴无人机能够在模拟的目标域进行巡航，当传感器检测到生命体后，将该生命体的地理位置通过数据传输方式传输到地面数据基站，将摄像头拍摄到的实时画面通过图像传输传送回地面数据基站，并向生命体投放救生设备。该创新实验项目结束后，相关同学也参与了2019年全国大学生电子设计大赛当中。共有33位学生参赛，12位同学获得国家一等奖，6位同学获得国家二等奖，9位同学获得省级一等奖，其中，国家奖项的获奖率高达到54.5%。学科竞赛的优异表现也侧面证明了此次实验项目能切实提高学生的动手实践能力。

5结论

在高校开展创新创业教育不仅是为了满足《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》对高校教育的要求，更是为了培养大学生创新意识。本文通过多学科融合，提出基于四轴无人机的海上救援系统创新实验项目。通过教师理论教学结合学生动手开发实践，并创新性引入“导师负责制”，该创新实验项目取得了较好的教学成果，很大程度的提高了学生动手实践的积极性，也有效提高了学生的工程实践能力，符合当前高新创新创业教育的要求。今后，应当继续紧跟时代，结合当前社会热点，抽象出可针对大学生工程实践用的创新实践项目进一步完善教学方法，以便取得更好的教学成果。

参考文献

[1]谢建宏.基于项目驱动的传感器原理课程教学改革研究[J].实验室研究与探索，2018（3）：216-318.

[2]范芳蕾，余宏涛，章国庆，等.项目驱动下的开放实验平台创新模式探索[J].江苏科技信息，2017（24）：33-34.

[3]历风满.数字PID控制算法的研究[J].辽宁大学学报（自然科学版），2005（4）：367-370.

[4]余超凡，孙建辉.基于光流传感器的旋翼无人机实时避障系统[J].计算机应用与软件，2018，35（1）：206-210.

[5]夏春琴.以竞赛为载体的电子信息类创新人才培养个模式探索与实践[J].实验室研究与探索，2018（3）：216-318.

作者：庞泳 宋传旺 刘芳 金作东 单位：青岛理工大学