周三元　亓君藝　鄒珊　田耕

摘 要：眾所周知，無(wú)人機(jī)的研究主要是針對(duì)軍事訓(xùn)練以及實(shí)戰(zhàn)模擬的工具。20世紀(jì)20年代，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，無(wú)人機(jī)首次出現(xiàn)于軍事應(yīng)用中。至今，無(wú)人機(jī)在軍事、城市管理和視頻拍攝等方面的應(yīng)用較為廣泛。隨著科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)已逐漸在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的高校課堂上出現(xiàn)，但在西藏地區(qū)此現(xiàn)象寥寥無(wú)幾，故希望借助這次研究，認(rèn)真分析當(dāng)下無(wú)人機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r，了解掌握無(wú)人機(jī)工作原理（涉及力學(xué)、電工學(xué)等），研發(fā)一款微型的用于教學(xué)實(shí)踐的無(wú)人機(jī)。在此希望將來(lái)能有更多無(wú)人機(jī)愛(ài)好者參與其中，也希望將來(lái)能夠開(kāi)設(shè)相關(guān)課程，積極培養(yǎng)學(xué)生在無(wú)人機(jī)方面的興趣，以實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情。

關(guān)鍵詞：教學(xué)；科普；無(wú)人機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：V249 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

自20世紀(jì)60年代中期開(kāi)始，我國(guó)研制無(wú)人機(jī)已有50多年的歷史，其研究發(fā)展在總體設(shè)計(jì)、組合導(dǎo)航、飛行控制、傳感器技術(shù)、圖像傳輸、信息對(duì)抗與反對(duì)抗等諸多領(lǐng)域都有所建樹(shù)?，F(xiàn)如今，無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于航拍、軍事、農(nóng)業(yè)等方面。通過(guò)這次研究，我們已自購(gòu)相關(guān)耗材，并親自實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)，目的是希望將我們的設(shè)計(jì)理念扎根于學(xué)生這樣一個(gè)群體中，讓學(xué)生們知道無(wú)人機(jī)的飛行原理與設(shè)計(jì)。例如，無(wú)人機(jī)如何起飛？如何編程使無(wú)人機(jī)正常起飛？如何使無(wú)人機(jī)定高、定速飛行？如何使無(wú)人機(jī)更多功能化服務(wù)于人群中？其涉及的學(xué)科非常多，作為一種學(xué)習(xí)的介質(zhì)，以實(shí)踐求真知，會(huì)有很好的教學(xué)效果。除此之外，無(wú)人機(jī)在高原學(xué)科的應(yīng)用一直是個(gè)盲區(qū)，我們希望能夠利用本次研究，培養(yǎng)一批學(xué)生無(wú)人機(jī)愛(ài)好者，更希望今后能將其應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和課堂教學(xué)，以開(kāi)辟新的學(xué)科和研究領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生興趣和創(chuàng)新熱情，這無(wú)疑是一個(gè)極好的開(kāi)端。

1 微型四軸四旋翼無(wú)人機(jī)材料分析

我們選擇了一款支持材料生產(chǎn)的公司，進(jìn)行無(wú)人機(jī)材料加工，基本的硬件設(shè)計(jì)有：

（1）STM32F103C8T6 32位微控制器；

（2）MS5611 氣壓計(jì)（IIC）；

（3）MPU6050 三軸陀螺儀，三軸加速度計(jì)（IIC）；

（4）HMC5883 磁強(qiáng)計(jì)（IIC）；

（5）nRF24L01 2.4G無(wú)線模塊（SPI）；

（6）藍(lán)牙（串口2）；

（7）上位機(jī) （串口1）；

（8）LED （I/O口）；

（9）電機(jī)，MOS管 （PWM輸出）。

四旋翼主控芯片為 ARM Cortex-M3 內(nèi)核的32位微控制器 STM32f103C8T6。遙控器主控芯片為 ARM Cortex-M0 架構(gòu)的32位微控制器 STM32f030C8T6。傳感器采用高精度陀螺儀和加速度計(jì) MPU6050。電源采用了先升壓再降壓的方案，確保了控制系統(tǒng)和傳感器供電的穩(wěn)定。電池采用 500mAh 航模鋰電池，續(xù)航能力強(qiáng)。

采用 2.4G 無(wú)線遙控和藍(lán)牙手機(jī)遙控兩種遙控方式。2.4G 無(wú)線遙控的手感更佳，而藍(lán)牙手機(jī) APP 遙控會(huì)更加便捷。

2 四旋翼姿態(tài)描述和基本控制

Roll為滾轉(zhuǎn)角，主要表示飛機(jī)的滾轉(zhuǎn)；Pitch為俯仰角，主要表示飛機(jī)的俯仰；Yaw為偏航角，主要表示飛機(jī)的偏航。通過(guò)這3個(gè)角度，可以唯一確定飛機(jī)在空中的姿態(tài)。而如果保持這3個(gè)角度穩(wěn)定，比如說(shuō)都為0，則飛機(jī)水平豎直垂直穩(wěn)定，就是姿態(tài)穩(wěn)定。具體到四旋翼上，在選定了四旋翼的機(jī)頭后，我們就可以規(guī)定以上3個(gè)角度。接下來(lái)我們就可以用傳感器測(cè)量這3個(gè)角，通過(guò)控制器，讓這3個(gè)角保持為遙控器給出的姿態(tài)角，從而就可以穩(wěn)定地控制四旋翼。

PID控制器的對(duì)于無(wú)人機(jī)也是至關(guān)重要的，其決定著系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？刂频暮诵木褪菍W(xué)習(xí)控制理論，采用反饋的概念，將輸出引入到輸入中，用輸出來(lái)調(diào)節(jié)輸入，從而保證輸入對(duì)輸出影響符合我們的設(shè)計(jì)要求。

STM32單片機(jī)的開(kāi)發(fā)。STM32是32位ARM Coterx-M3內(nèi)核的處理器，主頻可以達(dá)到72MHz，同時(shí)采用精簡(jiǎn)指令集，滿足了四旋翼的控制需求，且能為以后的電子設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

軟件使用：C 語(yǔ)言源代碼、工程基于 ARM 內(nèi)核單片機(jī)主流開(kāi)發(fā)環(huán)境：Keil-MDK、使用的庫(kù)函數(shù)版本為 ST 最新官方 V3.5 固件函數(shù)庫(kù)。

算法：硬件 DMP 進(jìn)行姿態(tài)解算，姿態(tài)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確；卡爾曼濾波、低通濾波、滑動(dòng)平均濾波，讓數(shù)據(jù)穩(wěn)定；串級(jí) PID 控制算法，更穩(wěn)定的控制效果。

3 微型四軸四旋翼無(wú)人機(jī)在教育中的應(yīng)用

3.1 平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使無(wú)人機(jī)航拍在突發(fā)性事件、自然災(zāi)害、廣告等紀(jì)實(shí)性報(bào)道中的畫(huà)面充實(shí)感和鏡頭語(yǔ)言感獲得更好的表達(dá)，其非常廣泛的應(yīng)用也實(shí)現(xiàn)了更多的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。在很多實(shí)時(shí)性新聞報(bào)道中，無(wú)人機(jī)以其能夠近距離拍攝、將畫(huà)面?zhèn)魉突貋?lái)的一系列優(yōu)勢(shì)為人們了解事件進(jìn)程提供了有效途徑。除了上文提到的影視作品拍攝、突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)報(bào)道、測(cè)繪勘測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合外，無(wú)人機(jī)航拍還廣泛應(yīng)用于森林防火、邊境巡邏、應(yīng)急救災(zāi)、農(nóng)業(yè)、地震調(diào)查、核輻射探測(cè)、管道巡檢、保護(hù)區(qū)野生動(dòng)物監(jiān)測(cè)、軍事偵察、海事偵察、保釣活動(dòng)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。這也為我們無(wú)人機(jī)應(yīng)用于教育事業(yè)打下了良好的基礎(chǔ)。

隨著我國(guó)低空管制政策開(kāi)放、技術(shù)發(fā)展、電子設(shè)備模塊化程度提高，無(wú)人機(jī)有其體積小、操控性強(qiáng)的特點(diǎn)，只要相對(duì)較小的場(chǎng)地就可以完成起落，不受場(chǎng)所限制，使得作業(yè)時(shí)的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)場(chǎng)都比較便利。比如需要走出野外專業(yè)的同學(xué)在危險(xiǎn)的懸崖、深山、森林等地段，可以利用無(wú)人機(jī)的優(yōu)勢(shì)，將其傳回的畫(huà)面與相關(guān)信息結(jié)合來(lái)完成高難度的野外任務(wù)，這樣就大大降低了野外操作的危險(xiǎn)性，同時(shí)也彌補(bǔ)了我們?nèi)粘＝逃龁我换牟蛔悖€可以利用全方位的探索來(lái)豐富和完善學(xué)習(xí)所需資料。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐與技術(shù)相結(jié)合的能力需求

利用無(wú)人機(jī)來(lái)進(jìn)行相關(guān)教育是一項(xiàng)動(dòng)手能力和實(shí)踐能力都非常強(qiáng)的技能，如果學(xué)生僅掌握了無(wú)人機(jī)的起飛、降落、空中懸停、航線作業(yè)等操作技能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還需要學(xué)生從原理上了解無(wú)人機(jī)，也就是我們要適時(shí)地進(jìn)行無(wú)人機(jī)知識(shí)的科普，只有明白了無(wú)人機(jī)的原理機(jī)制才能夠更好地去操作它，從而達(dá)到我們教育的目的。一方面，由于無(wú)人機(jī)本身還受到其他因素的影響（如：技術(shù)、天氣以及無(wú)線電干擾等），容易造成無(wú)人機(jī)不同程度的損失。另一方面，當(dāng)工作場(chǎng)合不同或影響無(wú)人機(jī)的其他因素發(fā)生改變時(shí)，我們學(xué)生需要對(duì)無(wú)人機(jī)的一些飛行要素進(jìn)行調(diào)整或修改，而這就需要操作人員具備對(duì)無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)、飛行控制技術(shù)和機(jī)械加工能力等技能的相關(guān)知識(shí)和能力。通過(guò)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，讓學(xué)生除了可以運(yùn)用本專業(yè)的知識(shí)開(kāi)展無(wú)人機(jī)實(shí)踐外，還能夠完成無(wú)人機(jī)的維修與維護(hù)，既達(dá)到了學(xué)習(xí)的目的又掌握了部分無(wú)人機(jī)技術(shù)，符合當(dāng)前跨學(xué)科、多領(lǐng)域、理論與實(shí)踐并重的復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求。

3.3 開(kāi)展無(wú)人機(jī)教學(xué)實(shí)踐的初步構(gòu)想

在無(wú)人機(jī)航拍技術(shù)培訓(xùn)實(shí)踐中，初期以電腦模擬系統(tǒng)練習(xí)，使學(xué)生建立飛行空間意識(shí)和操控動(dòng)作的條件反射能力。在具備了一定的飛行技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)之后，完成固定航線作業(yè)的模擬拍攝技術(shù)。然后進(jìn)一步深入實(shí)現(xiàn)拍攝設(shè)備與地面接收設(shè)備之間的連接，使兩者逐步磨合、達(dá)到默契。隨著飛控手不斷地觀察拍攝場(chǎng)景，測(cè)試拍攝角度、景別，達(dá)到精準(zhǔn)、穩(wěn)定、靈活、熟練的操控?zé)o人機(jī)要求。最后，按照相關(guān)的航拍要求和流程，根據(jù)學(xué)習(xí)需要對(duì)真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行拍攝。

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