四軸無(wú)人機(jī)海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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摘要：結(jié)合當(dāng)前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育背景，融合通信學(xué)科和自動(dòng)化學(xué)科多門理論課程，設(shè)計(jì)出基于四軸無(wú)人機(jī)的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。通過(guò)創(chuàng)新項(xiàng)目的確定、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)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(guò)驗(yàn)證，該創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目使學(xué)生在夯實(shí)理論基礎(chǔ)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)多學(xué)科知識(shí)靈活運(yùn)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(wú)人機(jī)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(shí)施意見(jiàn)》明確指出當(dāng)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(duì)性和實(shí)效性均不到位。為適應(yīng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)新形勢(shì)和當(dāng)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(qiáng)。如何為學(xué)生提供一個(gè)針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)、對(duì)工程實(shí)踐能力有切實(shí)提高的針對(duì)性課程是當(dāng)前高等教育需要考慮的一個(gè)問(wèn)題。

2創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的確立

現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是針對(duì)單一課程進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法滿足當(dāng)前社會(huì)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(jì)、嵌入式應(yīng)用開發(fā)和信號(hào)處理方面的能力，在強(qiáng)電方面的培養(yǎng)力度相對(duì)較弱，這也使得部分學(xué)生在步入社會(huì)上無(wú)法較好的適應(yīng)控制方面的工作。自動(dòng)化本科教育培養(yǎng)方案中的《自動(dòng)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(jiàn)的工程項(xiàng)目中，也能夠較好的配合《信號(hào)與系統(tǒng)》、《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程。文獻(xiàn)[1，2]中提到的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)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(dòng)性。四軸無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、容易上手操作，對(duì)于本科生實(shí)驗(yàn)有可行性，也能緊跟社會(huì)潮流。所以可以將該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置成基于四軸無(wú)人機(jī)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。當(dāng)前無(wú)人機(jī)基本都是在高空中進(jìn)行作業(yè)，缺少在海洋方面的應(yīng)用，本文以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為依托，通過(guò)學(xué)科融合為本科通信類學(xué)生提供基于四軸無(wú)人機(jī)的海上救援系統(tǒng)這一創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目既能培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新觀念，又能增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

3創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展

基于四軸無(wú)人機(jī)的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以分為無(wú)人機(jī)部分和海上救援部分內(nèi)容。其中，無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)部分的功能延伸和具體應(yīng)用實(shí)踐。

3.1傳授理論知識(shí)———夯實(shí)基礎(chǔ)

基本的理論知識(shí)是學(xué)生開始了解并有興趣實(shí)現(xiàn)基于四軸無(wú)人機(jī)海上救援系統(tǒng)的前提。相關(guān)理論知識(shí)的講授對(duì)于沒(méi)接觸過(guò)項(xiàng)目開發(fā)的學(xué)生是非常必要的。無(wú)人機(jī)傳感器搭載、無(wú)人機(jī)圖像傳輸、無(wú)人機(jī)位置處理以及無(wú)人機(jī)姿態(tài)調(diào)整分別對(duì)應(yīng)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》、《信號(hào)與系統(tǒng)》、《自動(dòng)控制理論》和《傳感器與檢測(cè)技術(shù)》課程。海上救援部分則主要用到傳感器相關(guān)知識(shí)，也是《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程中的相關(guān)知識(shí)。在理論講授階段，學(xué)生們主要能夠了解并掌握常見(jiàn)單片機(jī)的使用方法、幾種常見(jiàn)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(diǎn)等知識(shí)，并針對(duì)通信學(xué)科接觸不到的自動(dòng)控制PID算法進(jìn)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(jì)算出控制量進(jìn)行控制的[3]。

3.2加強(qiáng)工程素養(yǎng)———?jiǎng)邮謱?shí)踐

要解決“無(wú)人機(jī)如何飛得穩(wěn)”這個(gè)問(wèn)題就需要確定如何通過(guò)選取一種或者幾種合適的定位傳感器來(lái)獲取無(wú)人機(jī)的當(dāng)前飛行高度，如何引入閉環(huán)系統(tǒng)通過(guò)PID調(diào)節(jié)來(lái)保證無(wú)人機(jī)始終能夠飛行在理想高度并能實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)減小飛行抖動(dòng)不至于飛機(jī)因?yàn)殡S機(jī)干擾跑飛。該創(chuàng)新項(xiàng)目中無(wú)人機(jī)飛行高度的獲取利用了氣壓計(jì)和激光測(cè)距傳感器模塊得到飛機(jī)的高度值。要解決“無(wú)人機(jī)如何飛得好”這個(gè)問(wèn)題就是要解決無(wú)人機(jī)在飛行同時(shí)如何搭載應(yīng)用類傳感器進(jìn)行任務(wù)作業(yè)的問(wèn)題。通過(guò)搭載GPS和光流傳感器能夠獲得飛機(jī)自身的水平位置坐標(biāo)，通過(guò)搭載激光傳感器結(jié)合勢(shì)場(chǎng)法能夠獲得自身與其他障礙物的距離實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障[4]。無(wú)人機(jī)搭載紅外傳感器等生命體識(shí)別設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)特殊場(chǎng)景的生命體識(shí)別，例如：海上生命題識(shí)別。除了搭載傳感器，無(wú)人機(jī)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(cè)到生命體時(shí)，進(jìn)行救生設(shè)備定點(diǎn)投遞相關(guān)操作等。海上救援部分則是通過(guò)無(wú)人機(jī)搭載相關(guān)生命體檢測(cè)傳感器和救生設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。學(xué)生通過(guò)頭腦風(fēng)暴最終決定采用TM4C123G芯片，與電機(jī)、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(xí)形式———多種形式共同推進(jìn)

在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程開展的過(guò)程中，我們通過(guò)理論講授和學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐并行執(zhí)行、“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”兩種形式教學(xué)共同推進(jìn)該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的進(jìn)行。在講授無(wú)人機(jī)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)和工作原理部分，鼓勵(lì)學(xué)生安裝無(wú)人機(jī)機(jī)架、確定相關(guān)電調(diào)、電機(jī)和槳葉；講授單片機(jī)部分時(shí)則召集學(xué)生討論確定無(wú)人機(jī)的芯片并鼓勵(lì)學(xué)生們進(jìn)行實(shí)際調(diào)試；對(duì)傳感器的工作方式進(jìn)行理論講授時(shí)，則讓學(xué)生同步進(jìn)行多種傳感器的調(diào)試使用等等。文獻(xiàn)[5]中提到電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)過(guò)程中可采用跨年級(jí)協(xié)同的培養(yǎng)方式，通過(guò)“以老帶新”來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的可持續(xù)發(fā)展。本文提出的“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”的教學(xué)方法和文獻(xiàn)[5]有異曲同工之妙。整個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程改革團(tuán)隊(duì)的教師和個(gè)別高年級(jí)學(xué)長(zhǎng)作為負(fù)責(zé)制的導(dǎo)師，采取分組負(fù)責(zé)制，由每位導(dǎo)師來(lái)負(fù)責(zé)把握小分組的整體進(jìn)度、實(shí)時(shí)鼓勵(lì)、督促并答疑解惑。“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”使得該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠做到因材施教。

4創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)成果分析

學(xué)生自己組裝的四軸無(wú)人機(jī)能夠在模擬的目標(biāo)域進(jìn)行巡航，當(dāng)傳感器檢測(cè)到生命體后，將該生命體的地理位置通過(guò)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(shí)時(shí)畫面通過(guò)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(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后，相關(guān)同學(xué)也參與了2019年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽當(dāng)中。共有33位學(xué)生參賽，12位同學(xué)獲得國(guó)家一等獎(jiǎng)，6位同學(xué)獲得國(guó)家二等獎(jiǎng)，9位同學(xué)獲得省級(jí)一等獎(jiǎng)，其中，國(guó)家獎(jiǎng)項(xiàng)的獲獎(jiǎng)率高達(dá)到54.5%。學(xué)科競(jìng)賽的優(yōu)異表現(xiàn)也側(cè)面證明了此次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)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(shí)施意見(jiàn)》對(duì)高校教育的要求，更是為了培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。本文通過(guò)多學(xué)科融合，提出基于四軸無(wú)人機(jī)的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過(guò)教師理論教學(xué)結(jié)合學(xué)生動(dòng)手開發(fā)實(shí)踐，并創(chuàng)新性引入“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”，該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取得了較好的教學(xué)成果，很大程度的提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的積極性，也有效提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，符合當(dāng)前高新創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的要求。今后，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)緊跟時(shí)代，結(jié)合當(dāng)前社會(huì)熱點(diǎn)，抽象出可針對(duì)大學(xué)生工程實(shí)踐用的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)一步完善教學(xué)方法，以便取得更好的教學(xué)成果。

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作者：龐泳 宋傳旺 劉芳 金作東 單位：青島理工大學(xué)