胥彪 馮建鑫 李爽

摘 要 航天器控制是航天專業(yè)的核心課程，主要研究航天器動(dòng)力學(xué)與控制基本原理和方法。為適應(yīng)國家建設(shè)航天強(qiáng)國新需要，培養(yǎng)航天專業(yè)人才，航天器控制課程需要緊密結(jié)合科技發(fā)展，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和方法進(jìn)行調(diào)整和改革。研究引入人工智能和無人機(jī)發(fā)展的新技術(shù)，搭建智能無人機(jī)教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式。根據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手解決工程問題的能力，達(dá)到提升學(xué)生創(chuàng)新能力的效果。

關(guān)鍵詞 教學(xué)方法 實(shí)驗(yàn)教學(xué) 航天器控制 人工智能 無人機(jī)

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高等學(xué)校肩負(fù)著培養(yǎng)創(chuàng)新型高級(jí)專門人才的重任，為建設(shè)“航天強(qiáng)國”戰(zhàn)略，提供人才支撐。創(chuàng)新能力是培養(yǎng)航天人才的核心內(nèi)容，是推動(dòng)國家航天事業(yè)乘勝前進(jìn)的關(guān)鍵途徑。創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)在知識(shí)的掌握和創(chuàng)造力形成中有著不可或缺的作用。實(shí)踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性思維的強(qiáng)有力的保障。為適應(yīng)國家發(fā)展航天事業(yè)和建設(shè)航天強(qiáng)國新需要，航天器控制課程需要緊密結(jié)合科技發(fā)展，對(duì)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行調(diào)整和改革。

在航天器控制課程的理論教學(xué)中，主要闡述航天器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制的基本原理和方法，以及相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)。傳統(tǒng)的理論教學(xué)比較抽象，缺乏理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，不利于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)課程學(xué)習(xí)的興趣和解決實(shí)際工程問題能力。在教學(xué)中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、綜合知識(shí)應(yīng)用能力是長期值得關(guān)注的問題。

目前人工智能和無人機(jī)是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)與前沿。智能無人機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的集成系統(tǒng)，涉及到飛行器設(shè)計(jì)、空間定位、路徑規(guī)劃、姿態(tài)控制、圖像識(shí)別等各方面的技術(shù)。一個(gè)功能完善的智能無人機(jī)是理解與應(yīng)用航天器控制原理和方法非常實(shí)用的工具。因此，我們通過引入智能無人機(jī)領(lǐng)域新技術(shù)，搭建無人機(jī)硬件平臺(tái)，進(jìn)行教學(xué)改革。

1傳統(tǒng)航天器控制教學(xué)的不足

航天類課程知識(shí)覆蓋面廣，具有知識(shí)點(diǎn)多、綜合性強(qiáng)以及與工程聯(lián)系緊密等特點(diǎn)。在日常的教學(xué)過程中，我們發(fā)現(xiàn)對(duì)于航天器控制教學(xué)環(huán)節(jié)存在一些不足：

（1）對(duì)于航天器控制來說，它包括動(dòng)力學(xué)、敏感器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)，制導(dǎo)控制算法等。目前，教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，大多集中在各個(gè)子系統(tǒng)部分，缺乏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)⑦@些知識(shí)點(diǎn)很好地串聯(lián)起來。

（2）與實(shí)際應(yīng)用聯(lián)系緊密是這門課程的特點(diǎn)之一。而教學(xué)中通常只停留在軟件仿真階段，與實(shí)際應(yīng)用有著很大的不同。許多的控制方法，都有各自的有點(diǎn)和缺點(diǎn)，往往仿真到實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。并且學(xué)生不具備相關(guān)的工程基礎(chǔ)，很難將課堂教學(xué)的理論知識(shí)與工程實(shí)際相互聯(lián)系。

（3）航空航天技術(shù)是世界各個(gè)強(qiáng)國重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域，技術(shù)進(jìn)步日新月異。許多新技術(shù)的發(fā)展，例如人工智能，也給航空航天提供了許多有挑戰(zhàn)、有價(jià)值的發(fā)展方向。因此，教學(xué)內(nèi)容需要不斷與時(shí)俱進(jìn)，更新迭代，而現(xiàn)有的教材和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都反應(yīng)遲緩。

因此，需要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中構(gòu)建可以驗(yàn)證課題所需理論知識(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將課堂教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)很好的串聯(lián)起來。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建過程中，需要緊密聯(lián)系當(dāng)前研究的熱點(diǎn)與前沿知識(shí)，緊跟前沿知識(shí)的發(fā)展潮流。針對(duì)飛行器控制課程的特點(diǎn)和存在的問題，本文對(duì)其作了較為系統(tǒng)的分析和研究?；谒男頍o人機(jī)，針對(duì)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法進(jìn)行了改革。整個(gè)實(shí)驗(yàn)包括四旋翼的基本運(yùn)動(dòng)方程、傳感器（慣組、聲納、氣壓計(jì)、相機(jī)）、狀態(tài)估計(jì)方法、等各個(gè)有機(jī)部分。然后在以上各個(gè)分系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了路徑規(guī)劃問題、控制問題、圖像識(shí)別問題等。并充分利用與之相關(guān)的科研成果和演示平臺(tái)，供學(xué)生學(xué)習(xí)和操作。

2實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)

學(xué)生學(xué)習(xí)了航天器控制基本理論知識(shí)以后，根據(jù)理論教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)置實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。整個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、圖像處理、仿真。建模及理論公式的推導(dǎo)可以參考理論教學(xué)部分。

2.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)控制設(shè)計(jì)可以通過經(jīng)典的PID控制、最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制和非線性控制等控制方法實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)可用經(jīng)典的PID控制器設(shè)計(jì)為例，其它方法可以讓學(xué)生自由發(fā)揮。

一個(gè)典型的PID設(shè)計(jì)是通過構(gòu)造測量值和期望值的誤差來實(shí)現(xiàn)控制。通過設(shè)計(jì)比例系數(shù)、積分系數(shù)、以及微分系數(shù)實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的控制。PID參數(shù)的整定就是合理的選擇PID三參數(shù)。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度，超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面考慮問題。讓學(xué)生在動(dòng)手過程中理解這三個(gè)參數(shù)的作用。比例參數(shù)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。積分作用參數(shù)的一個(gè)最主要作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。微分作用參數(shù)的作用是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，其主要作用是在響應(yīng)過程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，先不考慮圖像識(shí)別獲取路徑參數(shù)的問題，跟蹤指令可以采用典型參考輸入信號(hào)函數(shù)生成。

2.2圖像處理

利用無人機(jī)的攝像頭拍攝信息，對(duì)圖像進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)中需要提取圖像的顏色特征，在圖像輪廓信息不明顯的情況，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要提供2種圖像處理方案。一種方案是識(shí)別出圖像的輪廓。首先將無人機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行灰度處理降噪。然后將圖片進(jìn)行亮度調(diào)整以及濾波處理。最后提取最大聯(lián)通區(qū)域，用于軌跡跟蹤。第二種方案是提取圖像的顏色特征，在圖像輪廓信息不明顯的情況，我們可以采用這種方式。

2.3仿真

教師首先提供建立好的仿真系統(tǒng)，并且是可以閱讀可以修改。學(xué)生作為一個(gè)初學(xué)者，一開始并不需要手動(dòng)搭建大系統(tǒng)，只需要修改各個(gè)子系統(tǒng)然后完成軟件仿真。仿真結(jié)果正確后，將Matlab仿真程序通過USB接口部署到無人機(jī)實(shí)物上。所有的子系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)，實(shí)物平臺(tái)，均提供已調(diào)試成功演示范例。建立便于學(xué)生入門和理解的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，幫助學(xué)習(xí)理解、消化相關(guān)的理論知識(shí)，做到理論與實(shí)踐相統(tǒng)一。

3實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革

與一般實(shí)驗(yàn)課不同，本課程可以充分利用課上和課下業(yè)余時(shí)間。在課程開始階段，將學(xué)生分成若干小組，采用小組競賽的模式，給定一條跟蹤路徑，讓每個(gè)小組通過邊學(xué)習(xí)，邊動(dòng)手動(dòng)腦做的方式，給出自己設(shè)計(jì)方案。學(xué)生可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)競賽任務(wù)，理解任務(wù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)合理的子系統(tǒng)，并閱讀修改程序，做到真正自己動(dòng)手完成仿真到實(shí)物調(diào)試。

從教學(xué)效果上來看，通過該門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅掌握了理論知識(shí)，而且還增強(qiáng)了動(dòng)手能力。更重要的是，激發(fā)了對(duì)于航天課程學(xué)習(xí)的興趣。目前，已有學(xué)生通過本門課程學(xué)習(xí)后，參加了中國研究生未來飛行器創(chuàng)新大賽，并獲得了獎(jiǎng)項(xiàng)。

4結(jié)語

航天技術(shù)是強(qiáng)國綜合國力的體現(xiàn)，標(biāo)志著一個(gè)國家科學(xué)技術(shù)水平。雖然航天器控制是一門較為傳統(tǒng)的課程，但是它的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該隨著科技的進(jìn)步不斷改進(jìn)和完善。本文在分析了航天控制學(xué)科教育存在的問題的基礎(chǔ)上，通過引入人工智能和無人機(jī)領(lǐng)域研究的成果，搭建智能無人機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，改進(jìn)和完善了航天器控制實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。讓學(xué)生能夠從子系統(tǒng)到軟件仿真再到硬件調(diào)試的整個(gè)流程中，學(xué)到航天器控制基本理論和方法。通過引入目前研究熱點(diǎn)與前沿技術(shù)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生動(dòng)手能力和終身學(xué)習(xí)的良好習(xí)慣。

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