面向本科生教育的无人机系统设计与综合实践教学探索

王祥科 李杰 祝建成

摘  要：探索并建立一门理论结合实际的无人机系统设计与综合实践教学课程，对于办好无人机专业方向本科生教育具有十分重要的意义。该文结合本科生教育教学特点，提出了一种基于当下主流的开源软硬件思想和通用的机器人操作系统来构建无人机实验系统和实践环节的基本方法。介绍了基于开源软硬件构建多旋翼无人机实验系统的基本组成，并提出了无人机三轴姿态平台设计、无人机反恐侦察监视任务设计、无人机智能自主控制拓展实验设计三阶段实践教学设计方法。为无人机专业本科生融会贯通无人机原理与运用、无人机自主飞行控制、无人机任务规划、无人机地面站技术等专业理论知识提供了一种有效的实践教学方法。

关键词：实践教学  无人机系统  本科生教育

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。全球约有80%的无人机为军用无人機，用于侦察、作战、运输物资等;全球有11%的无人机为民用无人机，用于航拍、农业植保、电力巡航等[1]。

无人机系统设计与综合实践课程融会贯通课程体系下的“无人机系统导论”“无人机自主飞行控制”“无人机任务规划”等课程。课程选用当前最流行的开源软硬件思想（如Pixhawk开源自驾仪[2]）和最通用的机器人操作系统（Robot Operating System，ROS[3]）来构建实验原型系统，使得学生掌握快速搭建无人机系统的方法，并鼓励学有余力的学生通过读懂源码或电路图来“所见即所得”地了解系统运行原理，也可以为控制专业本科生提供一个极佳的控制对象开展研究，也为其完成本科毕业设计甚至步入研究生教育奠定了极好的基础。

1  基于开源软硬件构建多旋翼无人机实验系统

课程选取目前最为主流的设计理念，以Pixhawk开源自驾仪为核心器件，基于机器人操作系统通用架构，开展无人及实验系统构建，具体包括机械系统组装与调试、电路系统连接与调试、地面站配置与调试、机—站—链集成与调试、飞机控制参数整定、外场飞行试验、外场任务试验等具体内容。构建的无人机实验系统主要包括多旋翼无人机平台（Multi-rotor UAV）、自驾仪（Autopilot）、地面站（Ground Station），空地数传/图传链路（Datalink）以及云台、相机等。

1.1 Pixhawk开源自驾仪

课程采用消费级开源自驾仪Pixhawk，该款自驾仪采用32位STM32F427 ARM Cortex M4内核、32位STM32F100 ARM Cortex M3故障保护协处理器、Invensense MPU6000三轴加速度计/陀螺仪、ST Micro L3GD20 16位陀螺仪、ST Micro LSM303D 14位加速度计/磁力计、MEAS MS5611气压高度计等核心器件，并采用余度设计思想，主要功能涵盖飞机状态测量、自动飞行控制、自动导航定位等。

1.2 QGroundControl开源控制站

QGroundControl开源控制站是美国3DR（3D Robotics）公司为ArduPilot或PX4驱动的无人机配套的开源无人机控制站软件，主要用于固件刷新、自驾仪校准、飞机控制与监视、航路规划与加载等。目前，支持ArduPilot（ArduCopter、ArduPlane、ArduRover、ArduSub等）和PX4 Pro（multi-rotor、fixed-wing、VTOL等）等，支持使用MAVLink通信协议的自驾仪（ArudPilot、PX4 Pro、 PIXHAWK），支持Windows、OS X、Linux、iOS、Android等跨平台设计。

1.3 空-地通信链路及其协议

课程以面向北约无人机互操作性的无人机控制系统标准化接口（Standard  Interfaces of UAV Control System （UCS） for NATO UAV Interoperability， STANAG 4586[4]）为基础，介绍典型无人机数据链通信消息传递方式和数据链消息通信机制，重点突出周期型消息、事件触发型消息、请求型消息和响应型消息这4类消息的通信机制。解析并对比分析了STANAG 4586通信协议和该实践课程所采用的MavLink通信协议的异同点。

2  无人机系统设计与综合实践环节设计

2.1 无人机三轴姿态平台设计

课程设计并制作了无人机三轴姿态平台，包括俯仰、偏航、滚转3个通道的自由度，用于学生在无人机首飞前测试无人机姿态控制能力，具体过程为：安装桨叶，判断桨叶正反、电机转向、重心测试、机臂水平测试等正确性，再判断姿态稳定性，调试整定PID参数，观察无人机油门通道、俯仰通道、偏航通道以及滚转通道的响应性能。

2.2 无人机反恐侦察监视任务设计

课程围绕无人机典型反恐侦察监视任务，设计了反恐侦察监视任务剖面。其具体任务为：接上级通知，一枚疑似炸弹被恐怖分子安放于一辆汽车侧面，要求派无人机抵近查证。课程在特定位置放置一个标签（标签上注明T或F）用于模拟疑似炸弹，要求学生编辑飞行航路加载至无人机，由一名学生手控无人机起降至指定位置，切换无人机至“任务（Mission）模式”，无人机沿航线自主飞行至目标区域悬停，由另一名学生操纵云台和相机拍摄标签纸上的字幕，通过图传地面终端判断目标真伪（T或F）。

2.3 无人机智能自主控制拓展实验设计

为进一步激发学有余力学生的创新能力，同时为本科生毕业设计奠定实践基础，课程结合人工智能和控制理论，指导部分学生自主设计并集成智能控制算法、智能导航算法、智能规划算法等智能算法。为学生提供ARM嵌入式开发板（系统内称为上位机）用于开发无人机智能自主控制算法，以Offboard模式驱动Pixhawk自驾仪完成自主飞行控制、自主导航和自主路径规划等任务，上位机依据不同任务解算出无人机期望的位置、速度或者姿态，通过串行线路且遵循Mavlink通信协议同自驾仪连接，MavROS或Dronekit提供应用程序接口。

3  结语

该文介绍了国防科技大学无人机工程方向探索本科生无人机实践教学经验，提出了一种基于开源软硬件思想和通用的机器人操作系统快速构建无人机实验系统的方法，并设计了无人机三轴姿态平台、无人机反恐侦察监视任务、无人机智能自主控制拓展实验等三阶段综合实践环节，为无人机专业本科生融会贯通无人机系统专业理论知识提供了一种有效的实践教学方法。

参考文献

[1] DAMIEN WOLF，宋丙坤，谭春波.2018年无人机产业发展趋势[J].中国新通信，2018（8）：109.

[2] 赵航，王立峰.基于Pixhawk的多旋翼无人机避障飞行系统研发[J].动力系统与控制，2017，6（3）：98-108.

[3] 梅武军，伍家成，杨扬戬，等.基于ROS系统的多旋翼自主飞行控制系统[J].电子科技2017，30（7）：106-109.

[4] 曲东才，陈伟良，陈琪，等.无人机控制站交互性操作的标准化接口技术[J].飞机设计，2006（2）：36-40.