以系統(tǒng)能力為導(dǎo)向的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)綜合實(shí)踐教學(xué)探索

李俊杰，譚德立，王千秋，羅先錄

摘要：針對(duì)目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)存在的課程之間彼此孤立、缺乏系統(tǒng)級(jí)綜合實(shí)踐環(huán)節(jié)的問(wèn)題，利用當(dāng)下主流的開(kāi)源軟硬件資源和通用的機(jī)器人操作系統(tǒng)，有淺至深，提出了一種有效的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐教學(xué)方法。實(shí)踐表明，學(xué)生不僅從工程應(yīng)用角度快速掌握無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，提升了工程實(shí)踐能力，同時(shí)提升了對(duì)計(jì)算機(jī)軟硬件、系統(tǒng)能力的認(rèn)知。

關(guān)鍵詞 ：系統(tǒng)能力;實(shí)踐教學(xué);無(wú)人機(jī)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）19-0152-02

1 引言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力主要培養(yǎng)學(xué)生開(kāi)發(fā)時(shí)的系統(tǒng)觀和系統(tǒng)方法，圍繞學(xué)生能夠獨(dú)立軟硬件系統(tǒng)齊全，能真實(shí)反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)基本運(yùn)行原理層次結(jié)構(gòu)、清晰完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的目的，提供具體的實(shí)施的建議，其特點(diǎn)是多課程聯(lián)動(dòng)，注重課程間知識(shí)點(diǎn)的有機(jī)銜接。加強(qiáng)計(jì)算機(jī)類專業(yè)學(xué)生的系統(tǒng)能力培養(yǎng)，注重提升學(xué)生實(shí)踐能力，已經(jīng)成為教育界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共識(shí)。

無(wú)人機(jī)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域，近兩年來(lái)在市場(chǎng)逐步興起并迅速升溫，隨著國(guó)內(nèi)低空領(lǐng)域的放開(kāi)，無(wú)人機(jī)行業(yè)的發(fā)展出現(xiàn)了井噴的態(tài)勢(shì)。隨著國(guó)家“創(chuàng)客”“雙創(chuàng)”等政策大力支持，技術(shù)創(chuàng)新導(dǎo)向的創(chuàng)業(yè)教育迎來(lái)了新局面，各種電子設(shè)計(jì)大賽，創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)比賽中與無(wú)人機(jī)、人工智能相關(guān)的課題越來(lái)越多，大學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)的關(guān)注也越來(lái)越多。為了更好地培養(yǎng)適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展的、具有系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)應(yīng)用能力的計(jì)算機(jī)專門人才，我們需要對(duì)原有的實(shí)踐課程體系進(jìn)行改革，需要設(shè)立系統(tǒng)級(jí)綜合性實(shí)踐課程，使得核心課程之間內(nèi)容聯(lián)系更緊密、銜接更順暢[1-2]。因此，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)落實(shí)到無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)的實(shí)踐教學(xué)中，是一個(gè)創(chuàng)新的結(jié)合。無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是一門多學(xué)科交叉的實(shí)踐課程，涉及高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、模擬/數(shù)字電路、C語(yǔ)言、單片機(jī)、移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)等多門基礎(chǔ)知識(shí)，運(yùn)用到自動(dòng)控制原理、信號(hào)處理與測(cè)試技術(shù)、飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、人工智能等專業(yè)知識(shí)，這些正是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力培養(yǎng)的素質(zhì)，是培養(yǎng)軟硬兼通的計(jì)算機(jī)專業(yè)人才的重要實(shí)踐案例。

2 梯度綜合實(shí)踐體系

培養(yǎng)適應(yīng)計(jì)算機(jī)新技術(shù)、新問(wèn)題、新領(lǐng)域發(fā)展的人才，我們必須要從易到難，從可以實(shí)現(xiàn)到較高目標(biāo)定位來(lái)逐步提升學(xué)生自身分析能力、技術(shù)能力，落實(shí)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)。以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力為導(dǎo)向的無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)踐課程，在實(shí)踐的同時(shí)注重計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)，由淺入深、層層剖析飛行器控制原理，控制算法，軟件實(shí)現(xiàn)和傳感器應(yīng)用等內(nèi)容，從工程應(yīng)用角度，幫助學(xué)生快速掌握無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)基本原理，深入理解計(jì)算機(jī)專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，提升學(xué)生綜合實(shí)踐能力。在課程開(kāi)展過(guò)程中，學(xué)生的興趣將會(huì)被動(dòng)手組裝操作飛機(jī)、飛機(jī)調(diào)參，嵌入式開(kāi)發(fā)，算法物理意義探索、軟件編程等問(wèn)題逐步吸引和調(diào)動(dòng)，不斷提出自己的想法，發(fā)散思維進(jìn)而實(shí)現(xiàn)技術(shù)導(dǎo)向的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)。

1）基礎(chǔ)能力訓(xùn)練

本階段實(shí)踐目標(biāo)集中在讓學(xué)生感性地認(rèn)識(shí)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)習(xí)主動(dòng)性。這一階段學(xué)習(xí)涵蓋了無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成、四旋翼飛行器基本知識(shí)、飛行原理、DIY四旋翼無(wú)人機(jī)組裝調(diào)試、動(dòng)力裝置、飛行控制技術(shù)等基礎(chǔ)知識(shí)，讓從未接觸過(guò)工程項(xiàng)目的學(xué)生從零開(kāi)始進(jìn)行工程思維與能力的訓(xùn)練。教師以實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，講授基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)，并重點(diǎn)講述當(dāng)前無(wú)人機(jī)核心技術(shù)和難點(diǎn)?；趯I(yè)所學(xué)課程，比如：模電、數(shù)電、電路、C語(yǔ)言等課程，以無(wú)人機(jī)為教學(xué)載體，讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐進(jìn)行多學(xué)科的實(shí)踐、驗(yàn)證、開(kāi)發(fā)，鞏固所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，為后面兩個(gè)階段進(jìn)行無(wú)人機(jī)創(chuàng)新研發(fā)實(shí)踐指引方向和奠定理論基礎(chǔ)。學(xué)生則通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐鞏固強(qiáng)化四旋翼無(wú)人機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)及工作原理。

2） 專業(yè)能力訓(xùn)練

無(wú)人機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)原理、空氣動(dòng)力學(xué)、自動(dòng)化、電子信息、嵌入式、軟件開(kāi)發(fā)、人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、機(jī)械設(shè)計(jì)等技術(shù)。在學(xué)習(xí)了無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，本階段的實(shí)踐內(nèi)容將教學(xué)內(nèi)容模塊化，根據(jù)各個(gè)專業(yè)的特長(zhǎng)，因材施教，有針對(duì)性地進(jìn)行訓(xùn)練，鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)去探索和解決問(wèn)題。

（1）軟件工程專業(yè)移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)方向可以進(jìn)行手機(jī)終端App開(kāi)發(fā)、無(wú)人機(jī)地面站軟件開(kāi)發(fā)，與底層硬件通信，遠(yuǎn)程遙控;

（2）軟件工程大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)方向，可以以無(wú)人機(jī)機(jī)器視覺(jué)為載體開(kāi)展障礙物檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤等視覺(jué)類課程，以無(wú)人機(jī)深度學(xué)習(xí)自主導(dǎo)航為載體開(kāi)展人工智能類課程;

（3）針對(duì)電子信息工程專業(yè)，開(kāi)源飛控、姿態(tài)傳感器模塊介紹，對(duì)飛機(jī)的路徑、高度、避障方式等做二次開(kāi)發(fā)，以無(wú)人機(jī)的飛控和各類無(wú)人機(jī)傳感器為載體，開(kāi)展具有特色的嵌入式課程。

根據(jù)技術(shù)難點(diǎn)，定期開(kāi)設(shè)技術(shù)專題。

（1）超聲波避障專題：超聲波避障原理、超聲波測(cè)距程序編程調(diào)試;控制板與飛控通信方式;接上控制板進(jìn)行地面調(diào)試;接上控制板試飛，參數(shù)調(diào)節(jié)等。

（2）視覺(jué)巡線專題：視覺(jué)巡線原理，攝像頭程序編寫調(diào)試。

（3）計(jì)算機(jī)視覺(jué)專題：針對(duì)光伏行業(yè)飛機(jī)拍攝的圖片，進(jìn)行壞點(diǎn)檢測(cè)，模式識(shí)別。

3）綜合能力訓(xùn)練

通過(guò)基礎(chǔ)能力訓(xùn)練與專業(yè)能力訓(xùn)練兩個(gè)階段的無(wú)人機(jī)基礎(chǔ)理論學(xué)習(xí)、子模塊開(kāi)發(fā)與子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過(guò)程訓(xùn)練，學(xué)生已初步具備無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和組裝調(diào)試能力。在本階段，學(xué)生對(duì)接畢業(yè)設(shè)計(jì)、學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新實(shí)踐，將所有知識(shí)串聯(lián)起來(lái)，完成一個(gè)具有創(chuàng)新型和實(shí)用性的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)研制。軟件工程專業(yè)和電子信息工程專業(yè)學(xué)生根據(jù)自己的特長(zhǎng)，選擇無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)的切入點(diǎn)，自行組隊(duì)，針對(duì)某一應(yīng)用場(chǎng)景，如用于電力線路巡線、高速公路巡查、空氣質(zhì)量探測(cè)、移動(dòng)基站監(jiān)控、林業(yè)部門防火、農(nóng)業(yè)部門測(cè)產(chǎn)、病蟲害監(jiān)測(cè)與防治等作業(yè)等，開(kāi)發(fā)具體的應(yīng)用案例。實(shí)踐的重點(diǎn)是要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，激發(fā)學(xué)生的求知欲和創(chuàng)造潛能，引導(dǎo)學(xué)生探索無(wú)人機(jī)系統(tǒng)、圖像處理、人工智能、邊緣計(jì)算等前沿技術(shù)。

3 結(jié)論

將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)落地到具體的一個(gè)無(wú)人機(jī)開(kāi)發(fā)的綜合實(shí)踐，其中涉及硬件開(kāi)發(fā)、嵌入式開(kāi)發(fā)、軟件開(kāi)發(fā)、人工智能及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等技術(shù)點(diǎn)，打破課程間、學(xué)科間的壁壘，提升了知識(shí)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的黏性與組織能力，可操作性強(qiáng)，對(duì)學(xué)生計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能力的培養(yǎng)具有重要意義。

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【通聯(lián)編輯：李雅琪】