基于智能无人机的航天器控制专业实验教学改革
来源:用户上传
作者:
摘 要 航天器控制是航天专业的核心课程，主要研究航天器动力学与控制基本原理和方法。为适应国家建设航天强国新需要，培养航天专业人才，航天器控制课程需要紧密结合科技发展，对教学内容和方法进行调整和改革。研究引入人工智能和无人机发展的新技术，搭建智能无人机教学平台，构建理论与实践相结合的教学模式。根据课程教学内容，设计实验内容，激发学生兴趣，培养学生动手解决工程问题的能力，达到提升学生创新能力的效果。
关键词 教学方法 实验教学 航天器控制 人工智能 无人机
中图分类号：G642 文献标识码：A
高等学校肩负着培养创新型高级专门人才的重任，为建设“航天强国”战略，提供人才支撑。创新能力是培养航天人才的核心内容，是推动国家航天事业乘胜前进的关键途径。创新实践活动在知识的掌握和创造力形成中有着不可或缺的作用。实践教学是培养学生创造性思维的强有力的保障。为适应国家发展航天事业和建设航天强国新需要，航天器控制课程需要紧密结合科技发展，对教学内容、教学方法进行调整和改革。
在航天器控制课程的理论教学中，主要阐述航天器导航、制导与控制的基本原理和方法，以及相关的运动学和动力学。传统的理论教学比较抽象，缺乏理论联系实际的桥梁，不利于培养学生对课程学习的兴趣和解决实际工程问题能力。在教学中激发学生的学习主动性和创新意识，培养学生的动手能力、综合知识应用能力是长期值得关注的问题。
目前人工智能和无人机是国内外研究的热点与前沿。智能无人机是一个复杂的集成系统，涉及到飞行器设计、空间定位、路径规划、姿态控制、图像识别等各方面的技术。一个功能完善的智能无人机是理解与应用航天器控制原理和方法非常实用的工具。因此，我们通过引入智能无人机领域新技术，搭建无人机硬件平台，进行教学改革。
1传统航天器控制教学的不足
航天类课程知识覆盖面广，具有知识点多、综合性强以及与工程联系紧密等特点。在日常的教学过程中，我们发现对于航天器控制教学环节存在一些不足：
（1）对于航天器控制来说，它包括动力学、敏感器，执行机构，控制系统，制导控制算法等。目前，教学实验环节，大多集中在各个子系统部分，缺乏实验平台能够将这些知识点很好地串联起来。
（2）与实际应用联系紧密是这门课程的特点之一。而教学中通常只停留在软件仿真阶段，与实际应用有着很大的不同。许多的控制方法，都有各自的有点和缺点，往往仿真到实际应用还有一段距离。并且学生不具备相关的工程基础，很难将课堂教学的理论知识与工程实际相互联系。
（3）航空航天技术是世界各个强国重点发展的领域，技术进步日新月异。许多新技术的发展，例如人工智能，也给航空航天提供了许多有挑战、有价值的发展方向。因此，教学内容需要不断与时俱进，更新迭代，而现有的教材和实验内容都反应迟缓。
因此，需要在实验教学中构建可以验证课题所需理论知识的实验平台，将课堂教学中的知识点很好的串联起来。在实验平台的构建过程中，需要紧密联系当前研究的热点与前沿知识，紧跟前沿知识的发展潮流。针对飞行器控制课程的特点和存在的问题，本文对其作了较为系统的分析和研究。基于四旋翼无人机，针对课程实验教学内容、教学方法进行了改革。整个实验包括四旋翼的基本运动方程、传感器（惯组、声纳、气压计、相机）、状态估计方法、等各个有机部分。然后在以上各个分系统的基础上实现了路径规划问题、控制问题、图像识别问题等。并充分利用与之相关的科研成果和演示平台，供学生学习和操作。
2实验教学和实验平台建设
学生学习了航天器控制基本理论知识以后，根据理论教学环节设置实验内容。整个实验内容主要包括：控制系统设计、图像处理、仿真。建模及理论公式的推导可以参考理论教学部分。
2.1控制系统设计
无人机控制设计可以通过经典的PID控制、最优控制，自适应控制和非线性控制等控制方法实现。实验教学可用经典的PID控制器设计为例，其它方法可以让学生自由发挥。
一个典型的PID设计是通过构造测量值和期望值的误差来实现控制。通过设计比例系数、积分系数、以及微分系数实现被控对象的控制。PID参数的整定就是合理的选择PID三参数。从系统的稳定性、响应速度，超调量和稳态精度等各方面考虑问题。让学生在动手过程中理解这三个参数的作用。比例参数的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。积分作用参数的一个最主要作用是消除系统的稳态误差。微分作用参数的作用是改善系统的动态性能，其主要作用是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。在控制系统设计过程中，先不考虑图像识别获取路径参数的问题，跟踪指令可以采用典型参考输入信号函数生成。
2.2图像处理
利用无人机的摄像头拍摄信息，对图像进行处理。实验中需要提取图像的颜色特征，在图像轮廓信息不明显的情况，在实验教学中主要提供2种图像处理方案。一种方案是识别出图像的轮廓。首先将无人机拍摄的图像进行灰度处理降噪。然后将图片进行亮度调整以及滤波处理。最后提取最大联通区域，用于轨迹跟踪。第二种方案是提取图像的颜色特征，在图像轮廓信息不明显的情况，我们可以采用这种方式。
2.3仿真
教师首先提供建立好的仿真系统，并且是可以阅读可以修改。学生作为一个初学者，一开始并不需要手动搭建大系统，只需要修改各个子系统然后完成软件仿真。仿真结果正确后，将Matlab仿真程序通过USB接口部署到无人机实物上。所有的子系统，仿真系统，实物平台，均提供已调试成功演示范例。建立便于学生入门和理解的实验平台，帮助学习理解、消化相关的理论知识，做到理论与实践相统一。
3实验教学方法改革
与一般实验课不同，本课程可以充分利用课上和课下业余时间。在课程开始阶段，将学生分成若干小组，采用小组竞赛的模式，给定一条跟踪路径，让每个小组通过边学习，边动手动脑做的方式，给出自己设计方案。学生可以根据实验竞赛任务，理解任务指标，设计合理的子系统，并阅读修改程序，做到真正自己动手完成仿真到实物调试。
从教学效果上来看，通過该门课程的学习，学生不仅掌握了理论知识，而且还增强了动手能力。更重要的是，激发了对于航天课程学习的兴趣。目前，已有学生通过本门课程学习后，参加了中国研究生未来飞行器创新大赛，并获得了奖项。
4结语
航天技术是强国综合国力的体现，标志着一个国家科学技术水平。虽然航天器控制是一门较为传统的课程，但是它的实验教学内容应该随着科技的进步不断改进和完善。本文在分析了航天控制学科教育存在的问题的基础上，通过引入人工智能和无人机领域研究的成果，搭建智能无人机实验教学平台，改进和完善了航天器控制实验教学内容。让学生能够从子系统到软件仿真再到硬件调试的整个流程中，学到航天器控制基本理论和方法。通过引入目前研究热点与前沿技术，激发了学生的学习兴趣，培养了学生动手能力和终身学习的良好习惯。
参考文献
[1] 孙景荣，许录平，冯冬竹等.探测制导与控制技术特色专业课程建设与教学改革[J].中国电子教育，2013（03）：34-36.
[2] 周映江，朱松豪，赵勃等.基于无人飞行器的自动控制原理课程实验教学改革[J].学周刊，2018，381（33）：7-8.
[3] 陈杰，秦海鸿，龚春英等.“新能源发电技术”课程建设与教学改革[J].电气电子教学学报，2015（02）：28-30.
[4] 张涛，芦维宁，李一鹏.智能无人机综述[J].航空制造技术，2013，432（12）：32-35.
[5] 卢丹，王颖，崔铭等.基于MATLAB的《导航原理与系统》课程教学方法改革[J].武汉大学学报（理学版），2012（S2）：257-260.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15321571.htm
