基于四旋翼无人机的课程实践教学
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摘 要
为了更好地提高高校学生对前沿科技的了解，同时，增强学生的实际应用实践能力，把学科前沿技术四旋翼无人机实践内容引入到课程实践中。本文介绍了基于四旋翼无人机课程实践的具体内容及实践过程。实践课程要求学生组队并通过团队合作完成一项基于四旋翼无人机的实践项目，培养学生在实际应用实践中自主求知的能力。课程实践结果表明，学生不仅掌握了基本的四旋翼无人机的基本结构性能等知识和设计方法，而且通过自主学习，能根据具体问题提出有针对性的解决方案，提高了学生的实际应用实践能力。
关键词
四旋翼无人机;课程实践;实际应用实践能力
中图分类号： G642;V279-4 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.032
0 引言
四旋翼无人机[1-7]是当前社会是一个很新潮的电子设备，并且四旋翼无人机的应用也很广泛，尤其是对于民用领域特别是娱乐领域，四旋翼无人机都有它的用武之地。虽然，四旋翼无人机已经发展了几十年，但是，由于技术等因素，直到二十一世纪，随着科学技术的不断发展以及各种新型控制器、传感器的出现， 四旋翼飞行器才再次进入人们的视野。并且国内的很多高校都开设了无人机相关专业或课程，或者把四旋翼无人机嵌入到相对应的课程实践中，让学生通过课上学习实践更多地去认识四旋翼无人机，并对其工作原理等有所了解，为后期学习四旋翼无人机或是工作打好基础。目前，高校四旋翼无人机的研究主要可以分为以下三类：
（1）遥控航模四旋翼飞行器。
（2）小型四旋翼飞行器。
（3）微型四旋翼飞行器。
四旋翼无人机是一种通过程序命令[6-7]、自主完成任务的无人飞行器，通过在四旋翼无人机上安装视觉模块，可以实现航拍、监控、测绘等功能。基于四旋翼无人机的实践课程要求学生组队并通过团队合作完成一项基于四旋翼无人机的实践项目，培养学生在实际应用实践中自主求知的能力。课程实践结果表明，学生不仅掌握了基本的四旋翼无人机的基本结构性能等知识和设计方法，而且通过自主学习，能根据具体问题提出有针对性的解决方案，提高了学生的实际应用实践能力。
1 课程实践内容
1.1 四旋翼无人机介绍
目前市面上四旋翼无人机的设计平台很多， 但可以用于高校学生学习的平台就很少了。并且基本上四旋翼无人机的飞控核心代码是不开源的，这对学生学习实践是很难。基于电子设计竞赛的平台，利用传统的四旋翼无人机模型，借助TI公司的C2000 Launchpad作为飞控板以及树莓派视觉模块实现四旋翼无人机设计平台。
四旋翼无人机设计平台主要包括机架（机身、机臂、起落架）等、动力系统（电机、电调、电池、螺旋桨等）、指挥控制系统（飞控板、视觉模块、遥控器、接收机、地面站等）、传感器系统（加速度计、陀螺仪、磁力计、超声波传感器、气压计等）等。设计平台的基本框图如图1所示。飞控的主控制器采用的是TI公司C2000 Launchpad。视觉模块采用的是树莓派底板搭配一个800万像素的单目摄像头，树莓派地板是4核 1.2GHz，可以满足很多需求，从而不需要双目摄像头。
1.2 四旋翼无人机的基本设计
飞行姿态的控制：采用“×”字模式，如图2所示，Pitch和Roll与1，3、2，4两组电机呈45°夹角。相比十字模型，这种结构更为稳定，即通过控制两组电机来控制飞行器的运动。主要有六种飞行状态：垂直运动、俯仰运动、翻滚运动、航向运动、前后运动、左右运动。
控制原理：“×”字模式的四旋翼无人机每个对轴由四个电机同时控制，根据电机序号的标定，将3个欧拉角的控制量分解到4个电机上，高度的控制量4个电机是一致的，最后需要给每个电机加上一个油门基础量。
传感器的设计主要包括陀螺仪、加速度计、磁力计等的设计。陀螺仪可以测量角速度，具有高动态特性，但是它是一个间接测量器件，它测量的是角度的导数：角速度。加速度计是测量运载体线加速度的仪表。在飞控系统中，加速度是重要的动态特征校准元件。当物体处于静止状态时，加速度计测量出来的值就等于重力加速度 1g;当系统在三维空间做变速运动时，它的输出为轴向的加速度和重力加速度的分量，这就不能准确用于计算物体的姿态和运动状态。磁力计可用于测试磁场强度和方向，定位设备的方位，磁力计的原理跟指南针原理类似，可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。
无人机姿态表示的方法有很多种，比如欧拉角、四元数、DCM，各有的各的优势。较成熟的姿态解算算法中，主角还是角速度和加速度，磁力计只起到矫正纠正的作用。
1.3 四旋翼无人机的设计实例
利用四旋翼無人机实现黑点悬停功能。实现无人机悬停在黑点上，首先要通过视觉模块检测到黑点，通过视觉模块返回的像素点计算出黑点距离相对飞行器中心的距离，然后根据计算出的距离进行PID控制，最终使无人机平衡地悬停在黑点上。这是一个不断检测，不断进行控制调节的过程。
黑点检测用的是霍夫圆检测函数，视觉模块上搭建了opencv3开发环境，采用python语言编写视觉处理程序。将找到黑点的中心坐标像素点听过串口发送到飞控板上，飞控板接收后，通过小孔成像的原理将像素点转换成实际的距离，然后将得到的距离送入位置PID函数，从而得到目标pitch和roll再送入姿态控制PID函数，然后将最终得到的控制量分解到四个电机上，再将控制量送入PWM输出函数里，从而控制飞机的运动。
实验现象是飞机起飞，快速地识别黑点，然后调整自己的姿态和位置，最终悬停在黑点上。
2 结束语
在课程实践过程中，学生的兴趣被调动，通过动手操作飞机、软硬件编程、解决问题，不断提出自己的想法和意见。本课程实践主要面向电子信息工程专业大三学生开设的。该年级学生已学过相关的基础及专业基础课程，并有一定的编程基础，但是在控制理论方面基础薄弱。因此，课后学生通过自主学习，了解并基本掌握飞行姿态的控制、传感器的设计及相关控制原理等方面的知识。同时，能根据具体问题提出有针对性的解决方案，提高实际应用实践能力。
参考文献
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