【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)論文】四軸無人機(jī)海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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1、【實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)論文】四軸無人機(jī)海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 摘要：結(jié)合當(dāng)前創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育背景，融合通信學(xué)科和自動(dòng)化學(xué)科多門理論課程，設(shè)計(jì)出基于四軸無人機(jī)的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。通過創(chuàng)新項(xiàng)目的確定、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的具體開展，并引入創(chuàng)新性"導(dǎo)師制"教學(xué)方法。經(jīng)過驗(yàn)證，該創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目使學(xué)生在夯實(shí)理論基礎(chǔ)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)多學(xué)科知識(shí)靈活運(yùn)用，有效提高了學(xué)生工程能力。 關(guān)鍵詞：學(xué)科融合；四軸無人機(jī)；創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 1概述 《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》明確指出當(dāng)前高等教育在創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育方面存在重視度不夠、與專業(yè)結(jié)合不夠緊密并且針對(duì)性和實(shí)效性均不到位。為

2、適應(yīng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)新形勢和當(dāng)前新工科背景，工科學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育水平亟待加強(qiáng)。如何為學(xué)生提供一個(gè)針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)、對(duì)工程實(shí)踐能力有切實(shí)提高的針對(duì)性課程是當(dāng)前高等教育需要考慮的一個(gè)問題。 2創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的確立 現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目大多是針對(duì)單一課程進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法滿足當(dāng)前社會(huì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的要求。通信學(xué)科更多偏向培養(yǎng)學(xué)生弱電方面的電路設(shè)計(jì)、嵌入式應(yīng)用開發(fā)和信號(hào)處理方面的能力，在強(qiáng)電方面的培養(yǎng)力度相對(duì)較弱，這也使得部分學(xué)生在步入社會(huì)上無法較好的適應(yīng)控制方面的工作。自動(dòng)化本科教育培養(yǎng)方案中的《自動(dòng)控制理論》課程中涉及到PID算法能夠較好的應(yīng)用在各種常見的工程項(xiàng)目中，也能夠較好的配合《信

3、號(hào)與系統(tǒng)》、《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程。文獻(xiàn)[1，2]中提到的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式新型教學(xué)方法能夠?qū)鹘y(tǒng)教學(xué)模式中的“教師主導(dǎo)”轉(zhuǎn)變?yōu)樾滦汀皩W(xué)生主導(dǎo)”，能較好的發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。四軸無人機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、容易上手操作，對(duì)于本科生實(shí)驗(yàn)有可行性，也能緊跟社會(huì)潮流。所以可以將該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)置成基于四軸無人機(jī)的項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。當(dāng)前無人機(jī)基本都是在高空中進(jìn)行作業(yè)，缺少在海洋方面的應(yīng)用，本文以創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室為依托，通過學(xué)科融合為本科通信類學(xué)生提供基于四軸無人機(jī)的海上救援系統(tǒng)這一創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。該項(xiàng)目既能培養(yǎng)學(xué)生們的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新觀念，又能增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。 3創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的開展

4、 基于四軸無人機(jī)的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以分為無人機(jī)部分和海上救援部分內(nèi)容。其中，無人機(jī)部分是海上救援系統(tǒng)部分的前提和基礎(chǔ)，只有高精度、高可靠性的完成無人機(jī)的各種操作，才能為海上救援部分提供可能；而海上救援部分則是無人機(jī)部分的功能延伸和具體應(yīng)用實(shí)踐。 3.1傳授理論知識(shí)———夯實(shí)基礎(chǔ) 基本的理論知識(shí)是學(xué)生開始了解并有興趣實(shí)現(xiàn)基于四軸無人機(jī)海上救援系統(tǒng)的前提。相關(guān)理論知識(shí)的講授對(duì)于沒接觸過項(xiàng)目開發(fā)的學(xué)生是非常必要的。無人機(jī)傳感器搭載、無人機(jī)圖像傳輸、無人機(jī)位置處理以及無人機(jī)姿態(tài)調(diào)整分別對(duì)應(yīng)《單片機(jī)原理及應(yīng)用》、《信號(hào)與系統(tǒng)》、《自動(dòng)控制理論》和《傳感器與檢測

5、技術(shù)》課程。海上救援部分則主要用到傳感器相關(guān)知識(shí)，也是《單片機(jī)原理及應(yīng)用》課程中的相關(guān)知識(shí)。在理論講授階段，學(xué)生們主要能夠了解并掌握常見單片機(jī)的使用方法、幾種常見傳感器工作原理和使用方法、數(shù)據(jù)傳輸和圖像傳輸?shù)姆N類和特點(diǎn)等知識(shí)，并針對(duì)通信學(xué)科接觸不到的自動(dòng)控制PID算法進(jìn)行詳解講解。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的[3]。 3.2加強(qiáng)工程素養(yǎng)———?jiǎng)邮謱?shí)踐 要解決“無人機(jī)如何飛得穩(wěn)”這個(gè)問題就需要確定如何通過選取一種或者幾種合適的定位傳感器來獲取無人機(jī)的當(dāng)前飛行高度，如何引入閉環(huán)系統(tǒng)通過PID調(diào)節(jié)來保證無人機(jī)始終能夠飛行在

6、理想高度并能實(shí)時(shí)自適應(yīng)調(diào)節(jié)減小飛行抖動(dòng)不至于飛機(jī)因?yàn)殡S機(jī)干擾跑飛。該創(chuàng)新項(xiàng)目中無人機(jī)飛行高度的獲取利用了氣壓計(jì)和激光測距傳感器模塊得到飛機(jī)的高度值。要解決“無人機(jī)如何飛得好”這個(gè)問題就是要解決無人機(jī)在飛行同時(shí)如何搭載應(yīng)用類傳感器進(jìn)行任務(wù)作業(yè)的問題。通過搭載GPS和光流傳感器能夠獲得飛機(jī)自身的水平位置坐標(biāo)，通過搭載激光傳感器結(jié)合勢場法能夠獲得自身與其他障礙物的距離實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障[4]。無人機(jī)搭載紅外傳感器等生命體識(shí)別設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)特殊場景的生命體識(shí)別，例如：海上生命題識(shí)別。除了搭載傳感器，無人機(jī)還能搭載相關(guān)執(zhí)行設(shè)備去完成特定任務(wù)，如搭載相關(guān)救生設(shè)備在檢測到生命體時(shí)，進(jìn)行救生設(shè)備定點(diǎn)投遞相關(guān)操作等。海

7、上救援部分則是通過無人機(jī)搭載相關(guān)生命體檢測傳感器和救生設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴最終決定采用TM4C123G芯片，與電機(jī)、電調(diào)、MPU6050、超聲波傳感器、光流傳感器、OpenMv攝像頭等模塊一起構(gòu)成基于四軸飛行器的海上救援系統(tǒng)。 3.3特色學(xué)習(xí)形式———多種形式共同推進(jìn) 在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程開展的過程中，我們通過理論講授和學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐并行執(zhí)行、“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”兩種形式教學(xué)共同推進(jìn)該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程的進(jìn)行。在講授無人機(jī)常見結(jié)構(gòu)和工作原理部分，鼓勵(lì)學(xué)生安裝無人機(jī)機(jī)架、確定相關(guān)電調(diào)、電機(jī)和槳葉；講授單片機(jī)部分時(shí)則召集學(xué)生討論確定無人機(jī)的芯片并鼓勵(lì)學(xué)生們進(jìn)行實(shí)際調(diào)試；對(duì)傳感器

8、的工作方式進(jìn)行理論講授時(shí)，則讓學(xué)生同步進(jìn)行多種傳感器的調(diào)試使用等等。文獻(xiàn)[5]中提到電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)過程中可采用跨年級(jí)協(xié)同的培養(yǎng)方式，通過“以老帶新”來實(shí)現(xiàn)整個(gè)學(xué)生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的可持續(xù)發(fā)展。本文提出的“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”的教學(xué)方法和文獻(xiàn)[5]有異曲同工之妙。整個(gè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課程改革團(tuán)隊(duì)的教師和個(gè)別高年級(jí)學(xué)長作為負(fù)責(zé)制的導(dǎo)師，采取分組負(fù)責(zé)制，由每位導(dǎo)師來負(fù)責(zé)把握小分組的整體進(jìn)度、實(shí)時(shí)鼓勵(lì)、督促并答疑解惑。“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”使得該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠做到因材施教。 4創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的教學(xué)成果分析 學(xué)生自己組裝的四軸無人機(jī)能夠在模擬的目標(biāo)域進(jìn)行巡航，當(dāng)傳感器檢測到生命體后，將該生命體的

9、地理位置通過數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)基站，將攝像頭拍攝到的實(shí)時(shí)畫面通過圖像傳輸傳送回地面數(shù)據(jù)基站，并向生命體投放救生設(shè)備。該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)束后，相關(guān)同學(xué)也參與了2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽當(dāng)中。共有33位學(xué)生參賽，12位同學(xué)獲得國家一等獎(jiǎng)，6位同學(xué)獲得國家二等獎(jiǎng)，9位同學(xué)獲得省級(jí)一等獎(jiǎng)，其中，國家獎(jiǎng)項(xiàng)的獲獎(jiǎng)率高達(dá)到54.5%。學(xué)科競賽的優(yōu)異表現(xiàn)也側(cè)面證明了此次實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能切實(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。 5結(jié)論 在高校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育不僅是為了滿足《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實(shí)施意見》對(duì)高校教育的要求，更是為了培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)。本文通過多學(xué)科融合，提出

10、基于四軸無人機(jī)的海上救援系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過教師理論教學(xué)結(jié)合學(xué)生動(dòng)手開發(fā)實(shí)踐，并創(chuàng)新性引入“導(dǎo)師負(fù)責(zé)制”，該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取得了較好的教學(xué)成果，很大程度的提高了學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的積極性，也有效提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，符合當(dāng)前高新創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的要求。今后，應(yīng)當(dāng)繼續(xù)緊跟時(shí)代，結(jié)合當(dāng)前社會(huì)熱點(diǎn)，抽象出可針對(duì)大學(xué)生工程實(shí)踐用的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目進(jìn)一步完善教學(xué)方法，以便取得更好的教學(xué)成果。 參考文獻(xiàn) [1]謝建宏.基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的傳感器原理課程教學(xué)改革研究[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018（3）：216-318. [2]范芳蕾，余宏濤，章國慶，等.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)下的開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)新模式探索[J].江蘇科技信息，2017（24）：33-34. [3]歷風(fēng)滿.數(shù)字PID控制算法的研究[J].遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（4）：367-370. [4]余超凡，孫建輝.基于光流傳感器的旋翼無人機(jī)實(shí)時(shí)避障系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2018，35（1）：206-210. [5]夏春琴.以競賽為載體的電子信息類創(chuàng)新人才培養(yǎng)個(gè)模式探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2018（3）：216-318.