基于項(xiàng)目導(dǎo)向構(gòu)建高職“飛行控制系統(tǒng)”課程

劉永福 黃建民

摘要：無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)是高職新興的一門專業(yè)，該專業(yè)課程體系大多數(shù)基于地域職業(yè)需求構(gòu)建課程體系及課程內(nèi)容。因高職和本科教育理念的巨大差異，高職大部分無(wú)人機(jī)課程不能直接從本科院校移植，同時(shí)因?yàn)榈赜蚪?jīng)濟(jì)差異也導(dǎo)致高職院校間課程內(nèi)容存在較大差異?！帮w行控制系統(tǒng)”課程在廣東省高職院校中只有本校開(kāi)設(shè)，并且服務(wù)于珠三角地區(qū)無(wú)人機(jī)制造業(yè)，因此課程內(nèi)容需全新構(gòu)建。本文依據(jù)珠三角地區(qū)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)人才需求，基于項(xiàng)目導(dǎo)向全新構(gòu)建了無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的“飛行控制系統(tǒng)”課程。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)；飛行控制系統(tǒng)；項(xiàng)目導(dǎo)向；課程構(gòu)建

一、概述

無(wú)人機(jī)是最近幾年全球的新興產(chǎn)業(yè)，其軍民兩用性關(guān)系到國(guó)家軍事安全和人民生計(jì)。由于無(wú)人機(jī)具有成本低、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)低、作業(yè)隱蔽、運(yùn)行效率高、運(yùn)輸方便等特征，特別是在復(fù)雜危險(xiǎn)的空中環(huán)境作業(yè)更具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其在航拍攝影、農(nóng)林業(yè)監(jiān)測(cè)、工業(yè)監(jiān)測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍警偵查以及航空測(cè)繪等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)高職院校紛紛開(kāi)設(shè)了無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)［1］。無(wú)人機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)新興的科技技術(shù)［2］，高職無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)課程資料非常缺乏，由于時(shí)間緊迫，大部分高職院校臨時(shí)采用本科課程內(nèi)容和企業(yè)培訓(xùn)資料開(kāi)展教學(xué)?！帮w行控制系統(tǒng)”作為一門無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的核心課程，也是沒(méi)有現(xiàn)成的課程資源，因此，構(gòu)建適合高職師生職業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的課程體系十分緊迫。

二、課程現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

高職教育以實(shí)踐操作為主，理論適度夠用即可。因此在構(gòu)建課程體系之前，課題組應(yīng)該通過(guò)走訪周邊地區(qū)無(wú)人機(jī)企業(yè)，了解企業(yè)的崗位需求［3］，把企業(yè)崗位工作和可學(xué)習(xí)內(nèi)容作為課程改革的重要切入點(diǎn)，引導(dǎo)教學(xué)方式和課程內(nèi)涵的改革。高職無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)的教改雖然已經(jīng)推進(jìn)一段時(shí)間，《飛行控制系統(tǒng)》逐漸出現(xiàn)了一些教材，但以培養(yǎng)相應(yīng)崗位的職業(yè)能力為目標(biāo)組織教學(xué)內(nèi)容的教材很少，且在實(shí)際教學(xué)中還存在著不少問(wèn)題。

（1）教材中部分理論知識(shí)脫胎于本科教材，比較艱深晦澀。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容基于本科的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，需要有比較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)才能理解實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的機(jī)理，在理論基礎(chǔ)上超出學(xué)生的理解范疇，在實(shí)訓(xùn)過(guò)程中指導(dǎo)教師難以順利推行，導(dǎo)致實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)不但不利學(xué)生對(duì)“飛行控制系統(tǒng)”的學(xué)習(xí)和理解，還浪費(fèi)了時(shí)間。

（2）傳統(tǒng)的教學(xué)是以教師為中心，通過(guò)知識(shí)分解、原理講解和演示示范，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)，在本科知識(shí)體系下高職學(xué)生很容易產(chǎn)生厭學(xué)情緒，在實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，也是按照實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書(shū)按部就班地完成實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，不能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也不可能達(dá)到高職職業(yè)素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。

（3）課程考核方式大部分繼承了傳統(tǒng)的試卷考試，學(xué)生需要背課程公式和專業(yè)術(shù)語(yǔ)，在此背景下形成了學(xué)生在課堂上無(wú)心學(xué)習(xí)，期末考試臨陣磨槍的不好學(xué)風(fēng)。

因此，基于項(xiàng)目導(dǎo)向全新構(gòu)建適合高職院校師生的“飛行控制系統(tǒng)”課程勢(shì)在必行。

三、課程改革思路和課程構(gòu)建

基于現(xiàn)有的“飛行控制系統(tǒng)”課程內(nèi)容多來(lái)自本科航空航天院校知識(shí)體系，且實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目多圍繞課程理論體系展開(kāi)，明顯不適于高職。因此，課程改革由原來(lái)理論為核心轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合高職學(xué)生的以操作技術(shù)崗位為核心，部分原理夠用即可。在實(shí)訓(xùn)內(nèi)容上由傳統(tǒng)的零散實(shí)驗(yàn)改為以一個(gè)綜合項(xiàng)目來(lái)支撐整門課程。在綜合項(xiàng)目下，根據(jù)崗位技能和職業(yè)素養(yǎng)需求進(jìn)行子模塊分割。在過(guò)程管理中，由教師講為主改為學(xué)生做為主；在實(shí)訓(xùn)中由教師對(duì)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目攻堅(jiān)克難為主改為學(xué)生攻堅(jiān)克難為主，教師加以引導(dǎo)和輔助，并允許學(xué)生用手機(jī)和電腦查資料，允許自由討論和自由測(cè)試，課堂組織形式自由開(kāi)放；教師主要任務(wù)由上課講授理論改為課堂項(xiàng)目管理和紀(jì)律管理為主；在考核上堅(jiān)持過(guò)程考核，由原來(lái)平時(shí)作業(yè)+期末考試，改為在各子模塊下的項(xiàng)目實(shí)踐能力考核和團(tuán)隊(duì)合作精神考核，并結(jié)合完成綜合項(xiàng)目的速度和質(zhì)量進(jìn)行考核。

（一）綜合項(xiàng)目的確定

為達(dá)到培養(yǎng)出滿足企業(yè)崗位需求的發(fā)展型、復(fù)合型和創(chuàng)新型技術(shù)技能人才的目標(biāo)，課題組在珠三角地區(qū)對(duì)無(wú)人機(jī)主要企業(yè)開(kāi)展調(diào)研，調(diào)研企業(yè)包括深圳大疆創(chuàng)新、南方數(shù)據(jù)科學(xué)研究院等。通過(guò)調(diào)研明確了“飛行控制系統(tǒng)”課程在職業(yè)崗位上的技能需求和素質(zhì)要求，并確立了“飛行控制系統(tǒng)”以培養(yǎng)學(xué)生掌握無(wú)人機(jī)飛控二次開(kāi)發(fā)和無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成為主要技能目標(biāo)，以“智能飛行系統(tǒng)制作”作為綜合項(xiàng)目，并根據(jù)崗位具體細(xì)分領(lǐng)域?qū)寄芎退刭|(zhì)要求對(duì)綜合項(xiàng)目進(jìn)行子模塊劃分和實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目劃分。本著以市場(chǎng)人才需求為引導(dǎo)，以綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目為支撐，開(kāi)展“飛行控制系統(tǒng)”課程的改革。

（二）綜合項(xiàng)目子模塊劃分

根據(jù)市場(chǎng)人才需求，課題組在確定綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目后對(duì)課程進(jìn)行要素分析，課程由智能要素、飛行要素、系統(tǒng)集成要素組成，并由要素進(jìn)行子模塊構(gòu)建。

智能要素由各種傳感器技術(shù)支撐，使得無(wú)人機(jī)具備對(duì)高度、三維空間坐標(biāo)、周邊障礙物、飛行姿態(tài)、飛行速度、飛行加速度、飛行角度及角加速度的感知能力；同時(shí)需要基于機(jī)器視覺(jué)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和跟蹤，學(xué)生需要完成各種傳感器的應(yīng)用學(xué)習(xí)。飛行要素由無(wú)人機(jī)本體支撐，包括無(wú)人機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和搭建、無(wú)人機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)和搭建等；根據(jù)飛機(jī)續(xù)航時(shí)間和無(wú)人機(jī)尺寸要求，學(xué)生需要完成對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的電池、分電板、電調(diào)、電機(jī)和螺旋槳的適配計(jì)算和選型。系統(tǒng)集成要素需要以飛控為核心，接入各種傳感器、地面站和遙控器，使之具備自動(dòng)飛行的條件；在系統(tǒng)集成過(guò)程中，學(xué)生需要了解各種飛控外設(shè)的通信協(xié)議，對(duì)飛控固件進(jìn)行二次編程編譯，完成飛控外設(shè)的數(shù)據(jù)采集，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終完成無(wú)人機(jī)的對(duì)外感知和自主飛行。

考量本專業(yè)前置課程有“無(wú)人機(jī)概論”“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”“無(wú)人機(jī)模擬飛行”“傳感器技術(shù)”“無(wú)人機(jī)組裝與調(diào)試”和“嵌入式系統(tǒng)”等課程；在上述課程知識(shí)能力體系下，課題組評(píng)估認(rèn)為學(xué)生在專任教師的引導(dǎo)下，能夠設(shè)計(jì)與制作一個(gè)智能的無(wú)人機(jī)飛行系統(tǒng)。實(shí)訓(xùn)資料采用的是公開(kāi)的開(kāi)源平臺(tái)（例如全球主流的APM飛控、PIX4飛控、國(guó)內(nèi)主流的Acfly飛控和圓點(diǎn)博士飛控），因此，實(shí)訓(xùn)資料豐富有利于學(xué)生自行上網(wǎng)查詢資料，使學(xué)生具備自主學(xué)習(xí)、自主解決問(wèn)題的基礎(chǔ)條件。

根據(jù)崗位需求和要素分解，具體子模塊如表1所示。

（1）為了增強(qiáng)學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的全面認(rèn)知，子模塊1設(shè)為：無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)概述，給學(xué)生展示無(wú)人機(jī)系統(tǒng)種類，引導(dǎo)學(xué)生討論和講述無(wú)人機(jī)各部件邏輯關(guān)系、飛行原理、狀態(tài)分析、數(shù)據(jù)鏈路編碼等基礎(chǔ)知識(shí)，教師講述本課程的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目大概內(nèi)容。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目有無(wú)人機(jī)通信編碼波形觀察。

（2）在對(duì)無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)有充分認(rèn)知的基礎(chǔ)上，子模塊2設(shè)為無(wú)人機(jī)定位導(dǎo)航設(shè)備。在該模塊中，學(xué)生對(duì)無(wú)人機(jī)的定位知識(shí)和設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)和操作實(shí)踐，知識(shí)內(nèi)容包括光流定位模塊的使用、GNSS系統(tǒng)分類、北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展簡(jiǎn)史（思政元素）、定高設(shè)備分類及其特性（氣壓定高、激光定高、超聲波定高）、RTK高精度定位、導(dǎo)航系統(tǒng)的使用方法等。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目包括光流定位模塊測(cè)試（精度測(cè)試、干擾測(cè)試）、GPS模塊測(cè)試（精度測(cè)試、干擾測(cè)試）、北斗模塊測(cè)試（精度測(cè)試、干擾測(cè)試）、RTK高精度定位測(cè)試、氣壓計(jì)定高模塊測(cè)試、激光定高模塊測(cè)試、超聲波定高模塊測(cè)試、導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用。通過(guò)本模塊學(xué)習(xí)，學(xué)生能為無(wú)人機(jī)提供多種定位定高的技術(shù)手段，并具備排查干擾能力。

（3）在對(duì)定位系統(tǒng)有充分認(rèn)知后，子模塊3設(shè)為地面站及任務(wù)載荷。在該模塊中學(xué)生通過(guò)網(wǎng)絡(luò)視頻和書(shū)本自主學(xué)習(xí)數(shù)傳、圖傳、云臺(tái)、攝像頭、遙控器和地面站等基礎(chǔ)知識(shí)。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目包括數(shù)傳模塊的應(yīng)用測(cè)試和干擾測(cè)試、圖傳應(yīng)用測(cè)試和干擾測(cè)試、云臺(tái)測(cè)試、攝像頭連接測(cè)試、遙控器配置測(cè)試、地面站應(yīng)用。通過(guò)本模塊學(xué)習(xí)，學(xué)生能熟練使用地面站和機(jī)載設(shè)備的安裝調(diào)試，并具備排查干擾能力。

（4）為了提升無(wú)人機(jī)的感知能力，子模塊4設(shè)為傳感器應(yīng)用。在該模塊中學(xué)生自主學(xué)習(xí)光敏傳感器、熱敏傳感器、溫濕度傳感器、雨水傳感器、IMU模塊的基礎(chǔ)知識(shí)。實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目包括光敏傳感器測(cè)試、熱敏傳感器測(cè)試、溫濕度傳感器測(cè)試、雨水傳感器測(cè)試、IMU姿態(tài)模塊測(cè)試。通過(guò)上述實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)和操作實(shí)踐，學(xué)生基本可以給無(wú)人機(jī)多種感知能力進(jìn)行賦能。

（5）為了測(cè)試和整合前面所學(xué)的子模塊內(nèi)容，我們需要一臺(tái)合適的無(wú)人機(jī)作為資源整合平臺(tái)和驗(yàn)證平臺(tái)。因此，子模塊5設(shè)為裝機(jī)及程控飛行。在該子模塊中學(xué)生需要組裝一套無(wú)人機(jī)，對(duì)飛控的固件程序進(jìn)行學(xué)習(xí)；掌握如何更新固件、燒錄固件和程控飛行測(cè)試，懂得如何調(diào)用API函數(shù)、如何設(shè)置程序源碼的參數(shù)。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括無(wú)人機(jī)測(cè)試平臺(tái)組裝（整合前面所學(xué)的傳感器模塊和定位定高模塊）、飛控固件更新、飛控固件燒錄、飛控參數(shù)調(diào)試、調(diào)整和編譯飛控固件、程控航線測(cè)試。通過(guò)該模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生完全掌握如何整合傳感器到飛機(jī)上，并且讓飛機(jī)按照學(xué)生自己編寫(xiě)的程序進(jìn)行固定航線飛行，為全智能飛行打下良好基礎(chǔ)。

（6）在子模塊5中，程控飛行雖然能根據(jù)學(xué)生預(yù)設(shè)的航線軌跡進(jìn)行自動(dòng)飛行，但是缺乏智能識(shí)別跟蹤能力，還算不上智能飛行系統(tǒng)。因此，模塊6設(shè)為視覺(jué)識(shí)別和智能飛行，為無(wú)人機(jī)增加一雙眼睛。要系統(tǒng)學(xué)習(xí)視覺(jué)識(shí)別的理論知識(shí)，對(duì)高職學(xué)生是不現(xiàn)實(shí)的。課題組對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)對(duì)于無(wú)人機(jī)系統(tǒng)集成企業(yè)或者應(yīng)用型企業(yè)的技術(shù)崗位，只需員工能讓無(wú)人機(jī)具備識(shí)別跟蹤功能就行，而對(duì)應(yīng)市場(chǎng)上也有很多視覺(jué)模塊提供完整的功能API接口，要完成某個(gè)圖像識(shí)別功能只需要掌握如何調(diào)用其API函數(shù)即可。因此，課題組采用的是市面上比較流行通用的視覺(jué)識(shí)別模塊，以降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。教學(xué)上課題組使用了OpenMV模塊，教師引導(dǎo)學(xué)生完成圖像識(shí)別的基礎(chǔ)知識(shí)（包括直方圖、顏色系統(tǒng)、圖像二值化等）。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容包括形狀識(shí)別、顏色識(shí)別、目標(biāo)標(biāo)定、二維碼識(shí)別。完成基本的圖像識(shí)別模塊學(xué)習(xí)后，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)視覺(jué)模塊標(biāo)定的目標(biāo)，引導(dǎo)無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)完成對(duì)特定目標(biāo)跟蹤飛行。通過(guò)該模塊學(xué)習(xí)，學(xué)生完全掌握無(wú)人機(jī)的智能跟蹤飛行，綜合項(xiàng)目也到此結(jié)束。課程改革后項(xiàng)目實(shí)踐情況如下圖所示。

（三）過(guò)程考核

考慮到“飛行控制系統(tǒng)”課程的獨(dú)特改革，其評(píng)價(jià)和考核過(guò)程也和傳統(tǒng)的不一樣。傳統(tǒng)考核經(jīng)常用期末考試作為課程的重要考量。而本門課程則以過(guò)程評(píng)價(jià)考核為重心，取消期末紙質(zhì)考試?；A(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)、實(shí)踐項(xiàng)目操作和過(guò)程考核都以分組形式開(kāi)展，其中過(guò)程考核內(nèi)容為課堂紀(jì)律、子模塊中各實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目完成情況、團(tuán)隊(duì)合作精神和整系統(tǒng)完成質(zhì)量，過(guò)程考核具體內(nèi)容和占比情況見(jiàn)表2。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)綜合項(xiàng)目的分解和實(shí)施，學(xué)生對(duì)知識(shí)的檢索能力、實(shí)踐操作技能都得到充分應(yīng)用及鍛煉，相對(duì)之前零散和模糊的知識(shí)也得到整合和驗(yàn)證并形成體系，知識(shí)的系統(tǒng)性得到增強(qiáng)。通過(guò)課堂師生之間主次的變化，顯著提高了學(xué)生解決問(wèn)題的能力和團(tuán)隊(duì)合作精神。因?yàn)槊總€(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目都具有良好的實(shí)踐性和可視性，所以學(xué)生學(xué)習(xí)積極性得到顯著提高。綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目并非每一組學(xué)生都可以順利完成，真實(shí)項(xiàng)目遇到的問(wèn)題多種多樣，突發(fā)問(wèn)題也多，這些困難因素和企業(yè)工作崗位所遇到的困難很好地保持了一致性，因此通過(guò)這樣的課程改革也起到提升學(xué)生承壓能力的目的。

當(dāng)然，改革也帶入一些新問(wèn)題，原來(lái)以教師為中心、以理論為主的形式，一個(gè)教師可以輕松解決課堂上的問(wèn)題。改革后，各組學(xué)生能力參差不齊、實(shí)訓(xùn)設(shè)備故障、各組實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目進(jìn)度不一、項(xiàng)目測(cè)試場(chǎng)地要求增多等原因，導(dǎo)致課程中經(jīng)常會(huì)集中出現(xiàn)各種問(wèn)題，給教師有效組織課程改革增加了難度。因此，課題組提出改進(jìn)措施：（1）改革后課程需要更多的師資力量的投入，使得課堂上學(xué)生面臨的技術(shù)難題得到及時(shí)的引導(dǎo)，促使實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目有效推進(jìn)；（2）由于設(shè)備和耗材使用頻次增加，設(shè)備維護(hù)工作量和耗材損耗量也增加，因此在實(shí)訓(xùn)設(shè)備和耗材經(jīng)費(fèi)的投入也要提前做好預(yù)算，確保實(shí)訓(xùn)所需軟硬件得到保障；（3）每個(gè)項(xiàng)目都要相應(yīng)地設(shè)計(jì)制作環(huán)境和測(cè)試環(huán)境，不少原有環(huán)境不能滿足需求，因此，實(shí)訓(xùn)環(huán)境如何進(jìn)行優(yōu)化也需要提前考慮。

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資助項(xiàng)目：2021年廣東開(kāi)放大學(xué)（廣東理工職業(yè)學(xué)院）教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2021A002）；2019年廣東理工職業(yè)學(xué)院教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項(xiàng)目（項(xiàng)目序號(hào)：21）

作者簡(jiǎn)介：劉永福（1981—），男，廣東肇慶人，碩士研究生，研究方向：通信技術(shù)、無(wú)人機(jī)應(yīng)用技術(shù)。