基于大疆TT無人機套件系列課程—— 巧練空投

狄勇 浙江省寧波市海曙區(qū)廣濟中心小學信息技術(shù)學科高級教師，市教壇新秀，市學科骨干教師。曾榮獲首屆寧波市中小學生創(chuàng)客大賽優(yōu)秀指導教師，第四屆、第五屆全國中小學機器人教學暨創(chuàng)客教育展評活動優(yōu)秀指導教師。著有《micro：bit超好玩——米爸帶你學編程》一書，由人民郵電出版社出版。近年專注于開源硬件相關(guān)的課程開發(fā)與教學實踐，發(fā)布相關(guān)教程、案例70余篇。

項目背景

受到著名軍事題材漫畫《那年那兔那些事兒》的啟發(fā)，我以“我兔飛行員TT”的故事為線索，設(shè)計了基于大疆TT無人機套件的系列課程，包含安全飛行、空中正步、巧練空投、雪中送炭、氣象偵察等六個項目課程。TT無人機不僅成為學生們手中的學具，更是培植學生硬核工匠精神與滾燙愛國情懷的寶藏。

“巧練空投”是學生經(jīng)歷的第三個項目，在學習該項目之前，學生們已經(jīng)組隊掌握了TT無人機的起降控制以及配套編程軟件Mind+的基本操作，并嘗試了將以往編程課上學習的經(jīng)典正多邊形繪制移植到TT無人機的飛行軌跡控制中。具備上述基礎(chǔ)技能后，學生們對TT無人機有了一定的編程操作基礎(chǔ)，掌握了安全飛行的前提。在“巧練空投”項目中，學生將完成空投裝置的制作和測試，為最終人臉識別空投補給做好鋪墊。

教學目標

1.活用3D打印技術(shù)解決真實問題，因地制宜地設(shè)計固定舵機的結(jié)構(gòu)件，并確保結(jié)構(gòu)件牢固輕巧，不過多影響TT無人機有效載荷。

2.能根據(jù)測試情況調(diào)整起飛策略，為TT定制起飛平臺。

3.充分熟悉IO拓展板的使用，根據(jù)接口定義改裝舵機接插件。

4.懂得在測試流程中安排地面測試，減少升空實驗的風險、電池損耗和時間成本。

教學過程

一、情境導入

師：“海拔4500米，無人機蜂群空中速遞熱食，探索空地立體補給保障新模式?！盋CTV-7軍事頻道報道的這則新聞讓對面的白象端著冷冰冰的咖喱飯心生妒忌。作為我兔飛行隊的一員，TT自然也要練習好空投補給的本領(lǐng)，隨時為前線做好支援工作。但是TT出廠時并不具備空投的技能，同學們能幫他練就空投物資的本領(lǐng)嗎？

學生討論交流。

二、頭腦風暴，定制裝備

1.設(shè)計拋投裝置

TT無人機套件并未提供現(xiàn)成的拋投裝置，所以要完成驅(qū)動性問題需要學生從零打造專用裝備。教師可組織學生分組進行頭腦風暴，通過觀察TT無人機的原始構(gòu)造討論改裝方案。

由于無人機存在負載、電量、螺旋槳干涉等諸多限制因素，在著手設(shè)計時，教師需要引導學生重點關(guān)注以下幾方面：改裝件盡可能輕量化，增加有效負載;無損加裝，避免對機身造成破壞;關(guān)注執(zhí)行器功耗，避免影響滯空時間;加裝的設(shè)備不能干涉螺旋槳運轉(zhuǎn)。

教師應(yīng)提供學生足夠的時間進行討論、嘗試、迭代，鼓勵各組拿出差異化的設(shè)計方案。

2.結(jié)構(gòu)件迭代

無論使用3D打印還是其他加工方式，結(jié)構(gòu)件都要能在保持整體輕巧的前提下，可靠地固定舵機等部件。要達到這一目標，反復試裝、修正、微調(diào)是必不可少的環(huán)節(jié)，教師可借此培養(yǎng)學生的工匠精神。最終模型可參考圖1。

3.定制掛鉤

學生在制作過程中可能需要變通利用身邊的材料實現(xiàn)所需功能，這正是體現(xiàn)創(chuàng)客巧思的地方。例如要掛載補給，還需給舵機配上掛鉤。而用于在面包板上布線的硬質(zhì)跳線，就是個不錯的選擇。挑出長短合適的一截跳線，用鑷子稍加“整形”便可制成掛鉤，如圖2。

4.制作載貨起飛平臺

由于無人機底部將要增加舵機，還要掛載貨物，無法直接在地面上平穩(wěn)放置，起飛時甚至會出現(xiàn)斜向墜機的事故，所以還需要給無人機制作一個架空的起飛平臺。要解決這個問題，可以在支架下方墊書本等物品增加無人機離地間隙，也可以量好TT起落架間距，讓學生自行設(shè)計模型，3D打印專屬于TT的載貨起飛平臺，如圖3。

5.舵機接插件

學生在制作時，會發(fā)現(xiàn)一些接插件的引腳定義與IO拓展板不一致，需要自行改裝。那么改裝的依據(jù)是什么呢？從技術(shù)文檔查找所需信息，是培養(yǎng)學生搜集、分析、處理、應(yīng)用信息能力的有效途徑。教師可下發(fā)技術(shù)文檔，讓學生自主探索實踐。

通過技術(shù)文檔，我們可以看到IO拓展板供電側(cè)引腳的定義依次為IO26、GND、3.3V;IO13、GND、5V。而配套舵機的接插件，GND和VCC的位置正好相反。下面提供兩種改裝方案供參考。

舵機改裝方案A：交換舵機GND和VCC端子。技巧是用一把鑷子完成推針，互換兩個端子的位置即可。改造后即可將其直接插到IO拓展板上。

舵機改造方案B：分離舵機信號線。如果要將舵機信號線接到26/13以外的引腳，就單獨分離信號線。用鑷子挑起插頭上的塑料片，把線往后一拉，輕松退線。然后找一根帶有母頭的杜邦線，拆下它的塑料插頭裝到舵機信號線上即可，如圖4。

三、編寫程序，地面測試

無人機的電池續(xù)航能力有限，如果所有的程序測試都升空執(zhí)行，不但會因反復充電拖慢項目進程，還可能會由于程序缺陷導致不必要的意外和損失。因此為TT編寫完程序后，應(yīng)盡可能先進行地面測試，待程序相對成熟后，再升空驗證。拋投裝置的程序測試工作就可以在地面獨立完成。具體程序參考圖5。

把程序?qū)懭隩T，將TT用支架架起。可以看到即便機腹下面有舵機，架到起飛平臺后照樣四平八穩(wěn)，而且更有氣勢。按下遙控器，看看機械結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)是否符合預(yù)期。

四、定制包裹，升空測試

該環(huán)節(jié)可讓學生基于各自無人機拋投裝置的特點定制包裹，甚至可以用TT掛載玩具小坦克、越野車等“軍事物資”，增加項目的趣味性和代入感。當然，用折紙的方式純手工打造一個快遞箱也是個不錯的選擇。修改拋投裝置的程序，增加起降的飛行控制部分，就可以升空測試了，如圖6。

五、項目展示與小結(jié)

各小組以路演的方式展示自己的制作過程，重點講述遇到的真實問題和解決方案。學生輪流觀察各組無人機的改造成果，進行互評，并將這些意見建議記錄在黑板或白板上。教師可引導學生聚焦大家普遍存在的一些問題，進行深入討論。

教學反思

大疆和DFROBOT合作推出的TT無人機套件組合，讓學生們有機會將開源硬件課程玩上了天。以項目式學習的方式規(guī)劃課程，強化了學生學習過程的支架搭建和評價設(shè)計，由此提升學生的設(shè)計思維、工程思維。課堂上還可以準備一臺天平秤，在裝置實現(xiàn)靈活投放物資的前提下，讓學生測試各組TT無人機的最大負載能力，并進行優(yōu)勝評選。這樣既可以用實證的方式驗證項目有效性，同時優(yōu)勝作品也能為各小組提供優(yōu)化迭代的方向，在后續(xù)項目的實施過程中繼續(xù)優(yōu)化。

（本課件由DF創(chuàng)客社區(qū)推薦）