面向本科生教育的無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合實(shí)踐教學(xué)探索

王祥科 李杰 祝建成

摘? 要：探索并建立一門理論結(jié)合實(shí)際的無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合實(shí)踐教學(xué)課程，對(duì)于辦好無人機(jī)專業(yè)方向本科生教育具有十分重要的意義。該文結(jié)合本科生教育教學(xué)特點(diǎn)，提出了一種基于當(dāng)下主流的開源軟硬件思想和通用的機(jī)器人操作系統(tǒng)來構(gòu)建無人機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)踐環(huán)節(jié)的基本方法。介紹了基于開源軟硬件構(gòu)建多旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本組成，并提出了無人機(jī)三軸姿態(tài)平臺(tái)設(shè)計(jì)、無人機(jī)反恐偵察監(jiān)視任務(wù)設(shè)計(jì)、無人機(jī)智能自主控制拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)三階段實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)方法。為無人機(jī)專業(yè)本科生融會(huì)貫通無人機(jī)原理與運(yùn)用、無人機(jī)自主飛行控制、無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃、無人機(jī)地面站技術(shù)等專業(yè)理論知識(shí)提供了一種有效的實(shí)踐教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：實(shí)踐教學(xué)? 無人機(jī)系統(tǒng)? 本科生教育

無人駕駛飛機(jī)簡(jiǎn)稱“無人機(jī)”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)，或者由車載計(jì)算機(jī)完全地或間歇地自主地操作。全球約有80%的無人機(jī)為軍用無人機(jī)，用于偵察、作戰(zhàn)、運(yùn)輸物資等;全球有11%的無人機(jī)為民用無人機(jī)，用于航拍、農(nóng)業(yè)植保、電力巡航等[1]。

無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合實(shí)踐課程融會(huì)貫通課程體系下的“無人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論”“無人機(jī)自主飛行控制”“無人機(jī)任務(wù)規(guī)劃”等課程。課程選用當(dāng)前最流行的開源軟硬件思想（如Pixhawk開源自駕儀[2]）和最通用的機(jī)器人操作系統(tǒng)（Robot Operating System，ROS[3]）來構(gòu)建實(shí)驗(yàn)原型系統(tǒng)，使得學(xué)生掌握快速搭建無人機(jī)系統(tǒng)的方法，并鼓勵(lì)學(xué)有余力的學(xué)生通過讀懂源碼或電路圖來“所見即所得”地了解系統(tǒng)運(yùn)行原理，也可以為控制專業(yè)本科生提供一個(gè)極佳的控制對(duì)象開展研究，也為其完成本科畢業(yè)設(shè)計(jì)甚至步入研究生教育奠定了極好的基礎(chǔ)。

1? 基于開源軟硬件構(gòu)建多旋翼無人機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

課程選取目前最為主流的設(shè)計(jì)理念，以Pixhawk開源自駕儀為核心器件，基于機(jī)器人操作系統(tǒng)通用架構(gòu)，開展無人及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建，具體包括機(jī)械系統(tǒng)組裝與調(diào)試、電路系統(tǒng)連接與調(diào)試、地面站配置與調(diào)試、機(jī)—站—鏈集成與調(diào)試、飛機(jī)控制參數(shù)整定、外場(chǎng)飛行試驗(yàn)、外場(chǎng)任務(wù)試驗(yàn)等具體內(nèi)容。構(gòu)建的無人機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括多旋翼無人機(jī)平臺(tái)（Multi-rotor UAV）、自駕儀（Autopilot）、地面站（Ground Station），空地?cái)?shù)傳/圖傳鏈路（Datalink）以及云臺(tái)、相機(jī)等。

1.1 Pixhawk開源自駕儀

課程采用消費(fèi)級(jí)開源自駕儀Pixhawk，該款自駕儀采用32位STM32F427 ARM Cortex M4內(nèi)核、32位STM32F100 ARM Cortex M3故障保護(hù)協(xié)處理器、Invensense MPU6000三軸加速度計(jì)/陀螺儀、ST Micro L3GD20 16位陀螺儀、ST Micro LSM303D 14位加速度計(jì)/磁力計(jì)、MEAS MS5611氣壓高度計(jì)等核心器件，并采用余度設(shè)計(jì)思想，主要功能涵蓋飛機(jī)狀態(tài)測(cè)量、自動(dòng)飛行控制、自動(dòng)導(dǎo)航定位等。

1.2 QGroundControl開源控制站

QGroundControl開源控制站是美國(guó)3DR（3D Robotics）公司為ArduPilot或PX4驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)配套的開源無人機(jī)控制站軟件，主要用于固件刷新、自駕儀校準(zhǔn)、飛機(jī)控制與監(jiān)視、航路規(guī)劃與加載等。目前，支持ArduPilot（ArduCopter、ArduPlane、ArduRover、ArduSub等）和PX4 Pro（multi-rotor、fixed-wing、VTOL等）等，支持使用MAVLink通信協(xié)議的自駕儀（ArudPilot、PX4 Pro、 PIXHAWK），支持Windows、OS X、Linux、iOS、Android等跨平臺(tái)設(shè)計(jì)。

1.3 空-地通信鏈路及其協(xié)議

課程以面向北約無人機(jī)互操作性的無人機(jī)控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化接口（Standard? Interfaces of UAV Control System （UCS） for NATO UAV Interoperability， STANAG 4586[4]）為基礎(chǔ)，介紹典型無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈通信消息傳遞方式和數(shù)據(jù)鏈消息通信機(jī)制，重點(diǎn)突出周期型消息、事件觸發(fā)型消息、請(qǐng)求型消息和響應(yīng)型消息這4類消息的通信機(jī)制。解析并對(duì)比分析了STANAG 4586通信協(xié)議和該實(shí)踐課程所采用的MavLink通信協(xié)議的異同點(diǎn)。

2? 無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

2.1 無人機(jī)三軸姿態(tài)平臺(tái)設(shè)計(jì)

課程設(shè)計(jì)并制作了無人機(jī)三軸姿態(tài)平臺(tái)，包括俯仰、偏航、滾轉(zhuǎn)3個(gè)通道的自由度，用于學(xué)生在無人機(jī)首飛前測(cè)試無人機(jī)姿態(tài)控制能力，具體過程為：安裝槳葉，判斷槳葉正反、電機(jī)轉(zhuǎn)向、重心測(cè)試、機(jī)臂水平測(cè)試等正確性，再判斷姿態(tài)穩(wěn)定性，調(diào)試整定PID參數(shù)，觀察無人機(jī)油門通道、俯仰通道、偏航通道以及滾轉(zhuǎn)通道的響應(yīng)性能。

2.2 無人機(jī)反恐偵察監(jiān)視任務(wù)設(shè)計(jì)

課程圍繞無人機(jī)典型反恐偵察監(jiān)視任務(wù)，設(shè)計(jì)了反恐偵察監(jiān)視任務(wù)剖面。其具體任務(wù)為：接上級(jí)通知，一枚疑似炸彈被恐怖分子安放于一輛汽車側(cè)面，要求派無人機(jī)抵近查證。課程在特定位置放置一個(gè)標(biāo)簽（標(biāo)簽上注明T或F）用于模擬疑似炸彈，要求學(xué)生編輯飛行航路加載至無人機(jī)，由一名學(xué)生手控?zé)o人機(jī)起降至指定位置，切換無人機(jī)至“任務(wù)（Mission）模式”，無人機(jī)沿航線自主飛行至目標(biāo)區(qū)域懸停，由另一名學(xué)生操縱云臺(tái)和相機(jī)拍攝標(biāo)簽紙上的字幕，通過圖傳地面終端判斷目標(biāo)真?zhèn)危═或F）。

2.3 無人機(jī)智能自主控制拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步激發(fā)學(xué)有余力學(xué)生的創(chuàng)新能力，同時(shí)為本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定實(shí)踐基礎(chǔ)，課程結(jié)合人工智能和控制理論，指導(dǎo)部分學(xué)生自主設(shè)計(jì)并集成智能控制算法、智能導(dǎo)航算法、智能規(guī)劃算法等智能算法。為學(xué)生提供ARM嵌入式開發(fā)板（系統(tǒng)內(nèi)稱為上位機(jī)）用于開發(fā)無人機(jī)智能自主控制算法，以O(shè)ffboard模式驅(qū)動(dòng)Pixhawk自駕儀完成自主飛行控制、自主導(dǎo)航和自主路徑規(guī)劃等任務(wù)，上位機(jī)依據(jù)不同任務(wù)解算出無人機(jī)期望的位置、速度或者姿態(tài)，通過串行線路且遵循Mavlink通信協(xié)議同自駕儀連接，MavROS或Dronekit提供應(yīng)用程序接口。

3? 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了國(guó)防科技大學(xué)無人機(jī)工程方向探索本科生無人機(jī)實(shí)踐教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出了一種基于開源軟硬件思想和通用的機(jī)器人操作系統(tǒng)快速構(gòu)建無人機(jī)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的方法，并設(shè)計(jì)了無人機(jī)三軸姿態(tài)平臺(tái)、無人機(jī)反恐偵察監(jiān)視任務(wù)、無人機(jī)智能自主控制拓展實(shí)驗(yàn)等三階段綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)，為無人機(jī)專業(yè)本科生融會(huì)貫通無人機(jī)系統(tǒng)專業(yè)理論知識(shí)提供了一種有效的實(shí)踐教學(xué)方法。

參考文獻(xiàn)

[1] DAMIEN WOLF，宋丙坤，譚春波.2018年無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)新通信，2018（8）：109.

[2] 趙航，王立峰.基于Pixhawk的多旋翼無人機(jī)避障飛行系統(tǒng)研發(fā)[J].動(dòng)力系統(tǒng)與控制，2017，6（3）：98-108.

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[4] 曲東才，陳偉良，陳琪，等.無人機(jī)控制站交互性操作的標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)[J].飛機(jī)設(shè)計(jì)，2006（2）：36-40.