四軸無人機海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實驗設(shè)計

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摘要：結(jié)合當前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育背景，融合通信學(xué)科和自動化學(xué)科多門理論課程，設(shè)計出基于四軸無人機的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實驗。通過創(chuàng)新項目的確定、實驗項目的具體開展，并引入創(chuàng)新性"導(dǎo)師制"教學(xué)方法。經(jīng)過驗證，該創(chuàng)新實踐項目使學(xué)生在夯實理論基礎(chǔ)的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)多學(xué)科知識靈活運用，有效提高了學(xué)生工程能力。

關(guān)鍵詞：學(xué)科融合；四軸無人機；創(chuàng)新實驗設(shè)計

1概述

《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》明確指出當前高等教育在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方面存在重視度不夠、與專業(yè)結(jié)合不夠緊密并且針對性和實效性均不到位。為適應(yīng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)新形勢和當前新工科背景，工科學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育水平亟待加強。如何為學(xué)生提供一個針對性強、實用性強、對工程實踐能力有切實提高的針對性課程是當前高等教育需要考慮的一個問題。

2創(chuàng)新實驗項目的確立

現(xiàn)有的實驗項目大多是針對單一課程進行設(shè)計，無法滿足當前社會創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的要求。通信學(xué)科更多偏向培養(yǎng)學(xué)生弱電方面的電路設(shè)計、嵌入式應(yīng)用開發(fā)和信號處理方面的能力，在強電方面的培養(yǎng)力度相對較弱，這也使得部分學(xué)生在步入社會上無法較好的適應(yīng)控制方面的工作。自動化本科教育培養(yǎng)方案中的《自動控制理論》課程中涉及到PID算法能夠較好的應(yīng)用在各種常見的工程項目中，也能夠較好的配合《信號與系統(tǒng)》、《單片機原理及應(yīng)用》課程。文獻[1，2]中提到的項目驅(qū)動式新型教學(xué)方法能夠?qū)鹘y(tǒng)教學(xué)模式中的“教師主導(dǎo)”轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦汀皩W(xué)生主導(dǎo)”，能較好的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性。四軸無人機的結(jié)構(gòu)相對簡單、容易上手操作，對于本科生實驗有可行性，也能緊跟社會潮流。所以可以將該實驗項目設(shè)置成基于四軸無人機的項目驅(qū)動式創(chuàng)新實驗項目。當前無人機基本都是在高空中進行作業(yè)，缺少在海洋方面的應(yīng)用，本文以創(chuàng)新實驗室為依托，通過學(xué)科融合為本科通信類學(xué)生提供基于四軸無人機的海上救援系統(tǒng)這一創(chuàng)新實驗項目。該項目既能培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新觀念，又能增強學(xué)生的工程實踐能力。

3創(chuàng)新實驗項目的開展

基于四軸無人機的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實驗項目可以分為無人機部分和海上救援部分內(nèi)容。其中，無人機部分是海上救援系統(tǒng)部分的前提和基礎(chǔ)，只有高精度、高可靠性的完成無人機的各種操作，才能為海上救援部分提供可能；而海上救援部分則是無人機部分的功能延伸和具體應(yīng)用實踐。

3.1傳授理論知識———夯實基礎(chǔ)

基本的理論知識是學(xué)生開始了解并有興趣實現(xiàn)基于四軸無人機海上救援系統(tǒng)的前提。相關(guān)理論知識的講授對于沒接觸過項目開發(fā)的學(xué)生是非常必要的。無人機傳感器搭載、無人機圖像傳輸、無人機位置處理以及無人機姿態(tài)調(diào)整分別對應(yīng)《單片機原理及應(yīng)用》、《信號與系統(tǒng)》、《自動控制理論》和《傳感器與檢測技術(shù)》課程。海上救援部分則主要用到傳感器相關(guān)知識，也是《單片機原理及應(yīng)用》課程中的相關(guān)知識。在理論講授階段，學(xué)生們主要能夠了解并掌握常見單片機的使用方法、幾種常見傳感器工作原理和使用方法、數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸?shù)姆N類和特點等知識，并針對通信學(xué)科接觸不到的自動控制PID算法進行詳解講解。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的[3]。

3.2加強工程素養(yǎng)———動手實踐

要解決“無人機如何飛得穩(wěn)”這個問題就需要確定如何通過選取一種或者幾種合適的定位傳感器來獲取無人機的當前飛行高度，如何引入閉環(huán)系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)來保證無人機始終能夠飛行在理想高度并能實時自適應(yīng)調(diào)節(jié)減小飛行抖動不至于飛機因為隨機干擾跑飛。該創(chuàng)新項目中無人機飛行高度的獲取利用了氣壓計和激光測距傳感器模塊得到飛機的高度值。要解決“無人機如何飛得好”這個問題就是要解決無人機在飛行同時如何搭載應(yīng)用類傳感器進行任務(wù)作業(yè)的問題。通過搭載GPS和光流傳感器能夠獲得飛機自身的水平位置坐標，通過搭載激光傳感器結(jié)合勢場法能夠獲得自身與其他障礙物的距離實現(xiàn)自動避障[4]。無人機搭載紅外傳感器等生命體識別設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)特殊場景的生命體識別，例如：海上生命題識別。除了搭載傳感器，無人機還能搭載相關(guān)執(zhí)行設(shè)備去完成特定任務(wù)，如搭載相關(guān)救生設(shè)備在檢測到生命體時，進行救生設(shè)備定點投遞相關(guān)操作等。海上救援部分則是通過無人機搭載相關(guān)生命體檢測傳感器和救生設(shè)備來實現(xiàn)。學(xué)生通過頭腦風暴最終決定采用TM4C123G芯片，與電機、電調(diào)、MPU6050、超聲波傳感器、光流傳感器、OpenMv攝像頭等模塊一起構(gòu)成基于四軸飛行器的海上救援系統(tǒng)。

3.3特色學(xué)習形式———多種形式共同推進

在創(chuàng)新實驗課程開展的過程中，我們通過理論講授和學(xué)生動手實踐并行執(zhí)行、“導(dǎo)師負責制”兩種形式教學(xué)共同推進該創(chuàng)新實驗課程的進行。在講授無人機常見結(jié)構(gòu)和工作原理部分，鼓勵學(xué)生安裝無人機機架、確定相關(guān)電調(diào)、電機和槳葉；講授單片機部分時則召集學(xué)生討論確定無人機的芯片并鼓勵學(xué)生們進行實際調(diào)試；對傳感器的工作方式進行理論講授時，則讓學(xué)生同步進行多種傳感器的調(diào)試使用等等。文獻[5]中提到電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中可采用跨年級協(xié)同的培養(yǎng)方式，通過“以老帶新”來實現(xiàn)整個學(xué)生創(chuàng)新團隊的可持續(xù)發(fā)展。本文提出的“導(dǎo)師負責制”的教學(xué)方法和文獻[5]有異曲同工之妙。整個創(chuàng)新實驗課程改革團隊的教師和個別高年級學(xué)長作為負責制的導(dǎo)師，采取分組負責制，由每位導(dǎo)師來負責把握小分組的整體進度、實時鼓勵、督促并答疑解惑?！皩?dǎo)師負責制”使得該創(chuàng)新實驗項目能夠做到因材施教。

4創(chuàng)新實驗項目的教學(xué)成果分析

學(xué)生自己組裝的四軸無人機能夠在模擬的目標域進行巡航，當傳感器檢測到生命體后，將該生命體的地理位置通過數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)基站，將攝像頭拍攝到的實時畫面通過圖像傳輸傳送回地面數(shù)據(jù)基站，并向生命體投放救生設(shè)備。該創(chuàng)新實驗項目結(jié)束后，相關(guān)同學(xué)也參與了2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽當中。共有33位學(xué)生參賽，12位同學(xué)獲得國家一等獎，6位同學(xué)獲得國家二等獎，9位同學(xué)獲得省級一等獎，其中，國家獎項的獲獎率高達到54.5%。學(xué)科競賽的優(yōu)異表現(xiàn)也側(cè)面證明了此次實驗項目能切實提高學(xué)生的動手實踐能力。

5結(jié)論

在高校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育不僅是為了滿足《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》對高校教育的要求，更是為了培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識。本文通過多學(xué)科融合，提出基于四軸無人機的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實驗項目。通過教師理論教學(xué)結(jié)合學(xué)生動手開發(fā)實踐，并創(chuàng)新性引入“導(dǎo)師負責制”，該創(chuàng)新實驗項目取得了較好的教學(xué)成果，很大程度的提高了學(xué)生動手實踐的積極性，也有效提高了學(xué)生的工程實踐能力，符合當前高新創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的要求。今后，應(yīng)當繼續(xù)緊跟時代，結(jié)合當前社會熱點，抽象出可針對大學(xué)生工程實踐用的創(chuàng)新實踐項目進一步完善教學(xué)方法，以便取得更好的教學(xué)成果。

參考文獻

[1]謝建宏.基于項目驅(qū)動的傳感器原理課程教學(xué)改革研究[J].實驗室研究與探索，2018（3）：216-318.

[2]范芳蕾，余宏濤，章國慶，等.項目驅(qū)動下的開放實驗平臺創(chuàng)新模式探索[J].江蘇科技信息，2017（24）：33-34.

[3]歷風滿.數(shù)字PID控制算法的研究[J].遼寧大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005（4）：367-370.

[4]余超凡，孫建輝.基于光流傳感器的旋翼無人機實時避障系統(tǒng)[J].計算機應(yīng)用與軟件，2018，35（1）：206-210.

[5]夏春琴.以競賽為載體的電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)個模式探索與實踐[J].實驗室研究與探索，2018（3）：216-318.

作者：龐泳 宋傳旺 劉芳 金作東 單位：青島理工大學(xué)