基于无人机编程项目的物联网专业实践系统配置方案研究
李德胜
摘要：文章在对国内外大学该课程的建设方案进行调研与结合安徽科技学院应用型本科专业建设的人才培养目标的基础上，结合物联网工程专业的专业课“无人机控制与影像”的专业实践教学模式、内容以及方法进行深入的研究与探讨，开发出适合安徽科技学院实际的基于无人机编程项目的物联网专业实践系统配置方案。该项目实施的目的是使学生能够掌握飞行器的组装、飞行控制、图像拍摄回传和后期处理的相关知识和技能，以期提升学生物联网工程综合实践技能的人才培养目标，并为相关专业人才培养改革提供参考。
关键词：无人机；编程项目；物联网；系统配置
1.意义与背景
目前，国内外大量院校都己开设物联网专业，实践课程往往都包括如下课程：c程序设计技能训练、电工与电路技能实训、计算机辅助电路设计实训、面向对象程序设计训练、数据结构课程设计、无线传感器网络课程设计、数据库原理课程设计、RFID原理与应用课程设计、ARM嵌入式系统课程设计移动互联网开发综合实训、物联网应用开发综合实训。
然而，根据对实际教学中和相关院校开设课程的调研，总结出如下几个存在的问题。
（1）缺乏真正体现物联网工程专业特色的綜合性项目。物联网工程专业包括很多基本的知识和技能元素，例如无线传感器网络、RFID、嵌入式系统课程、程序设计等。但是传统的实践课程都是单列的，没有考虑到物联网的综合应用性的本质。
（2）传统的编程实践内容无法调动学生的兴趣和积极性。研究表明，目前学生对大部分所学的传统知识并不十分感兴趣，而对互联网的多媒体和感知技术情有独钟。
本文结合物联网工程专业的专业课“无人机控制与影像”的专业实践教学，开发出适合学校实际的基于无人机编程项目的物联网专业实践系统配置方案。
2.无人机编程项目实践配置方案
基于无人机编程项目的物联网专业实践教学研究的主要内容包括：无人机飞行控制、图像拍摄回传和后期处理系统的二次开发，主要包括四轴飞行器、飞行控制子系统、遥控器子系统、地面站子系统、图像回传子系统、全景图像拼接系统等。在前期的教学工作中，已经进行了无人机软件编程项目教学的初步研究，并形成了独具特色的实践配置方案。
2.1四轴飞行器
四轴飞行器作为时下最热门的一种飞行器，已经越来越受到广大科学爱好者和商业公司的关注，四轴飞行器未来的应用前景十分广阔。四轴飞行器的智能导航可以利用机器视觉技术、人工智能技术让四轴飞行器能像人一样在复杂环境中活动。
2.2飞行控制模块
飞控子系统，拥有控制姿态自动平稳、定点高度悬停、空中平移、空中定点旋转、控制摄像机云台控制、一键自动降落、GPS导航等功能，可以机载高清运动摄像机，实时拍摄飞行中的图像。在教学中，采用Pixhawkm是一种先进的自动驾驶仪，它具有来自ST公司先进的处理器和传感器技术，ArduPilot开源飞控代码，以及NuttX实时操作系统，能够实现灵活性和可靠性控制。由于Pixhawk的所有硬件都是透明的，因此方便学生学习芯片、传感器、总线、外设等物联网硬件内容，并且由于飞控源代码开源，也方便学生进行二次开发。
2.3遥控器
在教学中，使用2.4 G富斯FS-TH9X9 9通道遥控器，可刷ER9X等开源固件。学生可以通过电脑软件进行所有的设置，不用再看遥控器的菜单了，上位机的图形化设置界面上极方便地完成所有的设置。所有摇杆和开关任意分配通道，还有模拟开关等强大的功能。
2.4开源地面站
在教学中，利用开源地面站Mission Planner，可以实现遥控校准、加速度校准和罗盘校准和各类参数的设定。Mission Planner是Windows，系统下工作的无人机地面控制站开源软件，其主要特点是通过在地图上的鼠标点击入口来规划，保存及加载自动任务，下载及分析由飞控板创建的任务记录。学生可以方便地利用图形界面进行测试、调试与二次开发，也增加了学生的学习兴趣。
2.5图像回传系统
在实践教学中，图像回传设备包括：7英寸雪花显示屏；两轴自平衡无刷云台，可以搭载高清运动摄像机进行拍摄，可以通过遥控器操作，通过云台中的电机转动改变操作角度。图像采集系统可以安装摄像头或者摄像机。其中机载高清摄像头1个，用于实时采集飞行中的图像，通过机载5.8 G传输模块传输到遥控器的7寸显示屏中。机载高清摄像机1个，用于飞行中的图像的摄录，飞行器起飞前开启后，在整个飞行过程中进行录像操作。另外还包括航拍0SD模块1个，它把飞行数据叠加到摄像头的视频上，可以直观实时了解飞行器的飞行状态。该模块为双路视频输入，可前后安装两个摄像头，通过遥控器实时切换；支持Pixhawk等开源飞控用的mavlink串口协议；并在无摄像头或者摄像头出故障时，没有视频信号输入会产生一个标准的视频信号用来叠加OSD信息；配合地面站Mission Planner，使得固件升级，参数设置通过USB完成。
图1-2分别为本系统摄像头和高清摄像机的回传图像，后期学生可以对这些回传图像进行高级的图像处理、全景拼接等操作，为后续的相关课程也提供了很好的素材。
3.结语
通过本方案指导下的物联网工程专业的专业课“无人机控制与影像”的专业实践教学，在实际教学中收到了良好的教学效果。基于无人机软件编程项目培养了学生自己动手解决问题的能力。学生通过对开源无人机项目二次开发的程序编写，可以让学生对整个无人机编程的流程和方面有比较彻底的掌握，而不是仅仅会使用现有的工具。做到“知其然，也知其所以然”。通过项目的实训，能够巩固学生的相关专业的知识基础：嵌入式知识、电子电路基础、数电模电知识、通信知识、飞行控制算法（高数、线性代数）、编程语言与软件开发技术（C/C++、数据结构）、计算机硬件基础、数字控制原理与应用、数字图像处理等，以提高学生的物联网专业综合素质。
