基于無線移動通信技術(shù)開展無人機(jī)應(yīng)用教學(xué)的可行性研究

侯文雷

摘要：近年來，民用無人機(jī)行業(yè)呈現(xiàn)出爆炸式增長，我國部分高等院校也逐步嘗試開展這方面技術(shù)的教育培訓(xùn)，甚至開設(shè)無人機(jī)應(yīng)用課程，但是課程設(shè)計、基礎(chǔ)技術(shù)、應(yīng)用重點等方面仍舊一片空白。文章針對無線移動通信技術(shù)和無人機(jī)應(yīng)用教學(xué)有機(jī)融合進(jìn)行研究，旨在加快推進(jìn)我國高等院校無人機(jī)應(yīng)用教學(xué)的進(jìn)程。

關(guān)鍵詞：無線移動通信技術(shù)；無人機(jī)；教學(xué)；課程

1無人機(jī)研究背景

近年來，民用無人機(jī)在各行各業(yè)都呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢，特別是在航拍、農(nóng)林、救災(zāi)、巡檢等領(lǐng)域，展現(xiàn)出無與倫比的魅力，成為各行各業(yè)追捧的新的技術(shù)增長點，同時也極大地拓展了無人機(jī)應(yīng)用范圍。部分高等院校抓住機(jī)遇，開展無人機(jī)相關(guān)教育培訓(xùn)，甚至嘗試開設(shè)無人機(jī)應(yīng)用課程。而如果以無人機(jī)為主體，配有相關(guān)的無線移動通信技術(shù)系統(tǒng)，組成由無人機(jī)、任務(wù)設(shè)備、無線電測控與信息傳輸（數(shù)據(jù)鏈）分系統(tǒng)、地面指揮控制站、發(fā)射與回收分系統(tǒng)、保障與維修分系統(tǒng)等一整套系統(tǒng)，是一種全新的課程模式。為此，筆者結(jié)合高校教學(xué)的特點，針對無人機(jī)課程設(shè)計、發(fā)展及應(yīng)用情況進(jìn)行了研究探索，探討無人機(jī)應(yīng)用課程在高等院校廣泛開展的可行性。

2教學(xué)無人機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)配置

當(dāng)前我國無人機(jī)廠家眾多，產(chǎn)品性能和質(zhì)量差異較大，除無人機(jī)產(chǎn)品外，廠家還配置和搭售相關(guān)系統(tǒng)應(yīng)用。針對教學(xué)用無人機(jī)，可以參照下列指標(biāo)進(jìn)行配置。

（1）具有安全飛行控制性能：主要指無人機(jī)在飛行中的安全可控程度，此項性能高的無人機(jī)安裝有雙冗余飛控模塊，有一鍵返航功能、低電自動返回功能等，由于無人機(jī)一般均載物飛行，加上飛機(jī)自身重量，因此飛機(jī)一旦失控墜落后果將可能十分嚴(yán)重，因此對于在人員密集或車輛、建筑密集的區(qū)域來說，這些都是非常重要的。

（2）具備基本的定點巡航能力，能夠預(yù)先設(shè)定飛行線路，設(shè)置懸停位置、時間、高度等，便于教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。

（3）具有3 kg以上的承載重量：主要是搭載教學(xué)設(shè)備，如攝像機(jī)等。

（4）具有一定的防損能力：包括飛機(jī)機(jī)身防火、防水和抗摔等方面，以及能夠抵抗4-5級以上大風(fēng)的能力，便于適應(yīng)不同的教學(xué)環(huán)境。

（5）具備30分鐘以上續(xù)航能力，結(jié)合電池消耗帶來的實際續(xù)航時間，考慮理論課程時間和實際操作時間相結(jié)合。

3無線移動通信技術(shù)配置

3.1基于Android操作系統(tǒng)的應(yīng)用配置

隨著無人機(jī)在國內(nèi)外的迅猛發(fā)展，越來越多的無人機(jī)特別是多旋翼配備了地面監(jiān)控系統(tǒng)。目前主流市場上，載有基于Linux的自由及開放源代碼的Android操作系統(tǒng)的移動終端已經(jīng)推出并廣泛應(yīng)用，份額逐漸擴(kuò)大，技術(shù)也越來越成熟。因此，選擇Android操作系統(tǒng)手機(jī)或者無線終端設(shè)備，成為無人機(jī)教學(xué)培訓(xùn)的重要手段?；贏ndroid操作系統(tǒng)平臺開發(fā)定制的無人機(jī)手持地面站，內(nèi)部集成高精度GPS，不經(jīng)電腦連接即可調(diào)節(jié)無人機(jī)飛行參數(shù)，便于在教學(xué)過程中實時監(jiān)測飛行及教學(xué)狀態(tài)。

3.2建設(shè)無線通信基站

如有條件，可以建設(shè)地面接收基站，便于無線圖像實時傳輸?；究梢栽O(shè)置視野開闊地方，實現(xiàn)教學(xué)場地全境完全覆蓋。固定地面接收基站設(shè)備由一臺無線圖傳接收機(jī)和天饋系統(tǒng)組成。機(jī)動接收基站可以選擇手提箱接收機(jī)，接收機(jī)應(yīng)配置USB接口，方便使用移動儲存介質(zhì)進(jìn)行本地錄像，還須配置以太網(wǎng)口，通過以太網(wǎng)口可接入網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻信號，為了適合各種場合，機(jī)動接收機(jī)的工作頻率通常由教師根據(jù)教學(xué)場合需要來確定。

4無人機(jī)課程任務(wù)重點

4.1教學(xué)任務(wù)目標(biāo)

發(fā)布任務(wù)命令，要求無人機(jī)到某指定地點執(zhí)行任務(wù)。無人機(jī)駕駛員根據(jù)任務(wù)命令，將地面控制站和無人機(jī)展、安裝開做好準(zhǔn)備工作，并進(jìn)行起飛、巡航、降落路線的選擇與規(guī)劃，在地面控制站設(shè)計飛行航路節(jié)點和飛行高度剖面，設(shè)計任務(wù)執(zhí)行過程中各種工作模式和程序。然后將任務(wù)規(guī)劃中確定的參數(shù)載入到飛控計算機(jī)中，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

無人機(jī)按照規(guī)劃路線飛往任務(wù)執(zhí)行區(qū)，并在任務(wù)區(qū)上空執(zhí)行既定任務(wù)。任務(wù)載荷分系統(tǒng)開展搜索、拍攝等任務(wù)，并將獲得的圖像視頻，通過無線數(shù)據(jù)傳輸鏈路進(jìn)行發(fā)送給駕駛員。無人機(jī)執(zhí)行完任務(wù)后按照任務(wù)規(guī)劃航線返航，在起飛地點降落。

4.2教學(xué)任務(wù)完成方法

4.2.1人工操作方法

由學(xué)生人工操作發(fā)送指令經(jīng)上行信道傳遞至機(jī)載計算機(jī)，通過機(jī)載飛行控制與管理系統(tǒng)執(zhí)行對無人機(jī)姿態(tài)和飛行軌跡的控制。主要用于起飛和降落階段。

4.2.2自動控制方法

在自動控制飛行模式下，學(xué)生能夠操作無人機(jī)按預(yù)先編制好的程序自動飛行，機(jī)載飛控系統(tǒng)根據(jù)程序規(guī)定的預(yù)定航線和定位系統(tǒng)給出的飛機(jī)實際位置，自主完成對飛行軌跡的控制。無人機(jī)在執(zhí)行遠(yuǎn)距飛行任務(wù)時，自動控制是主要的飛行控制方式。

4.2.3應(yīng)急返航方法

無人機(jī)起飛后，例如無線電數(shù)據(jù)鏈上、下行信道連續(xù)丟失超過預(yù)定時間等問題，立即自動執(zhí)行“應(yīng)急返航”程序，返回到起飛地點，降落并關(guān)閉發(fā)動機(jī)。如遇突發(fā)事件，則通過學(xué)生發(fā)送“應(yīng)急返航”指令。在“應(yīng)急返航”模式下返回至起飛地點上空后，如果數(shù)據(jù)鏈恢復(fù)，則可以轉(zhuǎn)入“人工操作”模式，在“人工操作”模式下完成降落操作。如圖1所示。

5無人機(jī)教學(xué)原則

5.1移動優(yōu)勢原則

當(dāng)前智能終端設(shè)備和移動互聯(lián)網(wǎng)處于高速發(fā)展期，移動操作系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展日新月異，無人機(jī)應(yīng)用要充分結(jié)合移動智能設(shè)備中特有的特性，如位置信息、重力感應(yīng)、多點觸控、語音、照相、視頻、磁場感應(yīng)等設(shè)計功能與操作，突破傳統(tǒng)PC模式下基于鼠標(biāo)+鍵盤的設(shè)計。

5.2學(xué)生體驗優(yōu)先原則

無人機(jī)應(yīng)用操作要簡單，學(xué)生體驗要親切。充分借鑒移動互聯(lián)網(wǎng)體驗?zāi)Ｊ揭约皩W(xué)生養(yǎng)成的使用習(xí)慣，學(xué)生體驗要融入于無人機(jī)操作的全過程。

5.3平臺統(tǒng)—原則

選擇被學(xué)生廣泛運用并熟悉掌握的Android操作系統(tǒng)手機(jī)或者無線終端設(shè)備，以及基于該平臺開發(fā)定制的無人機(jī)手持地面站，目的都是堅持統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范和指導(dǎo)，有效降低建設(shè)及運維成本。

5.4安全原則

無人機(jī)課程所處的環(huán)境（包括但不僅限于地點、設(shè)備、人員、天氣等）相對于其他課程而言更加開放，不可控因素較多；因此，需要建立一套安全操作標(biāo)準(zhǔn)。

5.5移動終端設(shè)備支持原則

智能終端設(shè)備更新?lián)Q代周期不超過1年。在這個唯一不變的就是“變化”的時期，緊緊跟隨技術(shù)和時代脈搏是主旋律。移動應(yīng)用實施技術(shù)也需要抓住業(yè)界技術(shù)變化的主旋律，聚集主技術(shù)主設(shè)備。

5.6符合法律規(guī)定原則

無人機(jī)使用頻率應(yīng)當(dāng)通過無線電通信管理局核準(zhǔn)，建議以學(xué)校層面與相關(guān)部門申請由工信部核發(fā)的無線電發(fā)射設(shè)備核準(zhǔn)證，確保無人機(jī)無線設(shè)備不對其他合法無線電業(yè)務(wù)造成干擾。

6結(jié)語

無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體型小巧，飛行與維護(hù)成本低，使用靈活，攜帶方便，是一個集中多種高科技的空中遙感平臺，在很多應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，隨著無人機(jī)市場的快速蓬勃發(fā)展，無人機(jī)應(yīng)用教學(xué)課程進(jìn)入高等院校課堂甚至發(fā)展成一門專業(yè)指日可待。而如何基于無線移動通信技術(shù)系統(tǒng)，整合無人機(jī)平臺、遙感技術(shù)、實時圖像傳輸、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，為教學(xué)服務(wù)，是必須解決的一個重要課題，這必將填補(bǔ)我國無人機(jī)應(yīng)用課程教學(xué)的空白。