邬玲伟 雷必成 林志明 梅盼

摘 要 无人机由于成本低、机械结构简单和机动性高等特性，近年来发展迅速。无人机技术也逐渐走进课堂，甚至成为高校专业发展的方向。本文介绍了无人机课程理论与实践教学内容。由浅入深，循序渐进，逐步引导学生学习操控四旋翼无人机、编写无人机程序代码以及组队完成综合性课程设计等这一系列课程内容，提高无人机课堂教学质量。

关键词 无人机 四旋翼 课程教学 实践训练

中图分类号：G642                                   文献标识码：A    DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2021.03.020

Research on Theory and Practice Teaching Reform of UAV Courses

WU Lingwei， LEI Bicheng， LIN Zhiming， MEI Pan

（School of Electronics & Information Engineering， Taizhou University， Taizhou， Zhejiang 318000）

Abstract Due to the characteristics of low cost， simple mechanical structure and high maneuverability， UAV has developed rapidly in recent years. UAV technology has gradually entered the classroom， and even become the direction of professional development in colleges and universities. This paper introduces the UAV course theory and practice teaching content. From simple to deep， the course gradually guides the students to learn to operate the quad-rotor UAV， write the UAV program code and complete the comprehensive course design by forming a team， so as to improve the quality of UAV classroom teaching.

Keywords UAV; quad-rotor; course teaching; practical training

随着我国通用航空体制的不断改革与完善，无人机行业将迎来前所未有的发展机遇。[1-3]《浙江省航空产业“十三五”发展规划》提出，到2020年全省形成年交付大中型无人机1000架以上的能力，培育10个航空特色小镇。无人机产业的迅猛发展急需无人机系统设计、应用、管理方面的综合性人才。当前无人机操控和开发人员极少，行业需求与高校输送的相关专业人才成反比。因此，深化加强无人机教学课程改革和实践工作，对于培养大量优秀的无人机相关专业人才具有重要意义。[4-5]

1课程教学现状

教育部于2016年新增“无人驾驶航空器系统工程”本科专业，目前仅有北航和台州学院等23所院校将无人机纳入本科教育。因此，无人机本科专业人才培养近几年才刚起步。我校于2016年在电气工程及其自动化专业开设无人机方向课程，每年近150名学生选课，积累了一定的办学经验。然而，无人机作为一个新兴领域，传统的课程体系和教学方法已不能很好支持无人机方向课程的有效教学，且存在如下几个问题：

1.1课题体系与课时量不足

无人机方向课程由“无人机原理与构造”“自动飞行控制系统”“无人机导航技术”三门课程组成。“无人机原理与构造”课要求学生了解无人机相关知识，并培养无人机组装、调试和操控能力。据调查，天途航空AOPA无人机培训中安排理论课程60学时和实操培训74学时。本课程仅安排32学时。“嵌入式系统原理及应用”是“自动飞行控制系统”的基础课程，但部分学生并未选这门课，很难学懂学深飞控程序。该课程以程序设计为主，仅安排32学时。“无人机导航技术”课程介绍卫星和惯性导航等知识，而其它高校将“卫星导航”和“惯性导航”作为两门课程开设，我们并未开设这两门课程。本课程仅安排32学时，很难深入学习。

1.2教材不适用

教材是无人机课程的核心，是保证课堂教学质量的关键。国内现有的教材编写也刚刚起步，相关配套的PPT更少。照搬传统的航空类教材授课，往往导致学生学习兴趣不强、学习效果不佳等问题。此外，仅有的无人机相关教材也不是很适合于本校无人机课程的教学。

1.3实验平台不适用

虽然已采购25套四旋翼无人机作为教学使用，但每年近150名学生选课，无人机数量远远不够。在教学过程中无人机的损耗率也较高。已采购的无人机采用PIXHAWK飞控，雖然能满足无人机基础教学课程要求，但存在如下问题：PIXHAWK受硬件限制开发程度不高，很难进行二次开发;PIXHAWK虽然二次开发程度高于APM，但开源代码以及各部分使用例程软件开放程度相对较为复杂。对于目前学生教学要求以及学生能力要求较高，使用相对困难。

1.4课内实验与课后作业的有效性不好

从无人机方向课程的教学情况来看，部分学生对课内实验与课后作业的参与意愿不强，态度不认真。尤其是“自动飞行控制系统”属于程序类教学课程，课程设置的课内实验与课后作业大多为在计算机上运行的编程题，抄袭难度低（可直接在计算机上进行复制粘贴），班级整体不乏直接抄袭等现象。这些现象使得课内实验与课后作业的教学效果大打折扣。

2 课程教学内容改革

无人机方向课程旨在通过一系列的理论和实践内容，不仅让学生掌握无人机的基本结构和飞行控制技术等知识，而且能够激发学生对无人机的学习兴趣。在注重无人机基本知识和基本方法等内容由浅入深和循序渐进授课的同时，更加突出无人机应用。

2.1 “无人机原理与构造”课程教学内容调整

“无人机原理与构造”课作为无人机方向的第一门课，学生开始时最想学的是“飞”。应减少晦涩难懂的理论知识，增加实践操控内容。强调核心知识点，尽量以视频或动画形式向学生讲解，使学生能够快速的掌握理论知识。课程实践内容融合了AOPA无人机驾驶员实践飞行训练标准内容，主要分为3个部分：

2.1.1课程实验安排从基础入手，分段培养

在无人机组装和调试方面，要求学生：能够根据无人机硬件平台使用说明书进行拆装调试无人机;在不安装桨叶的情况下完成机架选型，加速度计、罗盘、遥控器和电调校准以及飞行模式设置，并熟悉基本飞行操控流程;学会无人机的故障查找和维修。

2.1.2模拟器先行，训练基本操控方法和方向感

在无人机模拟器练习方面，要求学生：熟悉乐迪AT9遥控器，知道什么是美国手，什么是遥控器通道，并学会通过遥控器控制无人机飞行;学会并养成正确的遥控器握控姿势和良好的站姿;进行无人机悬停模式的飞行练习，学会对尾、对侧、对头、8位悬停、米字型、回字型、O字型以及8字型等飞行操作。

2.1.3实际操控训练内容标准化

在进行无人机实际操控训练时，要求学生必须严格按照“起降-对尾悬停-对侧悬停-对头悬停-8位悬停-米字型-回字型-O字型-8字型”这九个训练步骤，逐步深化练习。在实际飞行练习方面，要求学生：掌握四旋翼无人机起飞前和降落后的机身、通信链路和飞控等部件检查;完成四旋翼无人机的起降、对头等基本飞行训练;进阶完成四旋翼无人机的米字型、回字型、O字型以及8字型综合飞行训练。

选“无人机原理与构造”课的学生较多，实践训练时若操作不当，存在危险，不可能让几个学生同时进行操控训练。针对无人机实验中存在学生人数过多、实验课分散等问题，采取集中性实践教学模式（如周末连续两天或集中实训），并分批进行实验教学。

2.2 “自动飞行控制系统”课程教学内容调整

针对实验设备不足及教材不适用等问题，自制了40套微型四旋翼无人机实验平台，并编写配套例程和教材。自制平台主要作用有：（1）解决对于飞控内部结构不清晰和教学效果差等问题。（2）解决采购飞控开源性差，理解困难问题。（3）解决教学时效性问题。采购飞控成本高每块市场价500元左右，封装严实维修困难。（4）配套教材，完全结合自主飞控与例程，紧密结合，教学效果显著提升。（5）提高学生利用率和开放程度，自己带走，哪都能学。（6）辅助STM32单片机教学，飞控板子结合STM32常用知识，综合性以及实用性强大。此外，在自制实验平台、编写配套例程与教材的过程中，让学生积极参与进来，参与硬件和软件调试以及相关教学资料整理。

对于软件编程方面，将复杂的完整飞控程序分解成各个例程，由浅入深，循序渐进，逐步引导。启发学生思维，同时结合飞控平台鼓励学生将想法在该平台实现，让学生不只是成为理论的巨人，实践的矮子，真正做到学以致用。软件编程方面安排：如何编程、下载和调试;LED指示灯和USART实验;如何使用IIC和SPI等通信协议去读取九轴传感器MPU9250等数据信息;基于旋转矩阵/四元数方法的姿态解算实验;通过地面站软件完成无人机的姿态角PID调参实验等。通过这一系列实验例程让学生由浅入深，循序渐进的掌握飞控程序代码。

2.3 “无人机导航技术”课程教学内容调整

“无人机导航技术”课程减少卫星导航、无线电导航以及惯性导航等理论知识，增加无人机避障/定位技术的理论和实验内容。学生根据自身的爱好和特长，选择无人机开或应用为切入点。例如：喜欢操控无人机的学生，可以思考让无人机搭配各种任务载荷（如航拍摄像机、机械爪和喊话装置等模块），在无人机的行业应用领域开展研究;喜欢研究控制算法和程序编程的学生，可以思考如何实现无人机室内悬停、自主避障和自动跟踪等控制（如多路超声波避障、双目视觉避障、光流定位和视觉目标跟踪等控制算法）;喜欢传感器的学生，深入学习各种滤波算法和姿态解算方法，并可以思考为什么要进行多传感器数据融合等。

3 优化考核方式和人才培养模式

建立课前预习机制，使学生能在课前预习指定教学内容，实现课前预习与课堂教学的融合，解决课内学时不足的问题;加强课程的过程性考核，建立有效可执行的课内实验与课后作业提问验收机制，给予学生激励或惩罚，以此减少编程代码的抄袭现象;建立教学成效反馈机制，对学生定期开展教学调研反馈活动，适时调整教学计划和教学内容，查漏补缺。针对学生的学习兴趣以及个人学习努力上的差异，需要突出无人机应用技术和系统开发两方面人才的培养。因此，课程期末考核模式采用综合性课程设计形式，改变传统的试卷考核模式，学生可以根据自身的爱好和特长，选择无人机开发或应用方面为切入点，可以自行设计項目，组成团队进行设计开发，教师把关。学生自主完成自选课程，以实物现场验收和PPT答辩等形式给出期末成绩。

鼓励学生积极参与科研项目，实现优秀生应用型能力的全面提升。推行导师制，使更多学生在教师指导下进行课外科研与工程实践，提高实践动手能力和创新能力。建立多元化的科研项目平台，通过项目驱动式教学，全面提升应用型人才培养质量。学生成果生成，引导并指导学生进行成果转化，如论文及专利等。这也是激发学生积极性的重要环节，实现学生的科研项目反哺教学。

4 结束语

通过无人机方向课程的理论和实践教学，让学生逐步了解无人机行业领域，调动学生的无人机学习兴趣。通过学生动手操控无人机、编写无人机程序代码以及组队完成综合性课程设计等这一系列课程内容，逐级提高学生自身技能和创新能力。本课程系列主要面向电子或电气等相关专业的大二和大三学生。大二和大三学生已学过一定的专业基础课程，并具备一定的编程能力。让学生课外开展无人机相关科研，以论文与专利成果转化为引导，激发学生的积极性和创新性，提高无人机教学质量，并实现学生的科研项目反哺教学。

基金项目：本文系“浙江省高等教育‘十三五教学改革研究项目”（jg20190453）研究成果

参考文献

[1] 王刚，陈龙，薛远奎，等.四旋翼无人机控制理论与设计课程实践教学[J].实验科学与技术，2018，16（2）：74-77.

[2] 赵恒，张有光，王俊，等.跨专业综合实践平台建设初探[J].工业和信息化教育，2016，7：90-94.

[3] 郁剑，张秋浩，镇毅.基于四旋翼无人机的课程实践教学[J].科技视界，2020，5：85-86.

[4] 温凯，陈缪.全尺寸四旋翼无人机教学平台设计与课程开发[J].实验技术与管理，2018，9（35）：100-103.

[5] 朱振豪，杨小燕.电子技术应用专业开设无人机课程探索[J].电子世界，2018，10：91-93.