基于无线移动通信技术开展无人机应用教学的可行性研究
侯文雷
摘要：近年来，民用无人机行业呈现出爆炸式增长，我国部分高等院校也逐步尝试开展这方面技术的教育培训，甚至开设无人机应用课程，但是课程设计、基础技术、应用重点等方面仍旧一片空白。文章针对无线移动通信技术和无人机应用教学有机融合进行研究，旨在加快推进我国高等院校无人机应用教学的进程。
关键词：无线移动通信技术；无人机；教学；课程
1无人机研究背景
近年来，民用无人机在各行各业都呈现出蓬勃发展态势，特别是在航拍、农林、救灾、巡检等领域，展现出无与伦比的魅力，成为各行各业追捧的新的技术增长点，同时也极大地拓展了无人机应用范围。部分高等院校抓住机遇，开展无人机相关教育培训，甚至尝试开设无人机应用课程。而如果以无人机为主体，配有相关的无线移动通信技术系统，组成由无人机、任务设备、无线电测控与信息传输（数据链）分系统、地面指挥控制站、发射与回收分系统、保障与维修分系统等一整套系统，是一种全新的课程模式。为此，笔者结合高校教学的特点，针对无人机课程设计、发展及应用情况进行了研究探索，探讨无人机应用课程在高等院校广泛开展的可行性。
2教学无人机的性能标准配置
当前我国无人机厂家众多，产品性能和质量差异较大，除无人机产品外，厂家还配置和搭售相关系统应用。针对教学用无人机，可以参照下列指标进行配置。
（1）具有安全飞行控制性能：主要指无人机在飞行中的安全可控程度，此项性能高的无人机安装有双冗余飞控模块，有一键返航功能、低电自动返回功能等，由于无人机一般均载物飞行，加上飞机自身重量，因此飞机一旦失控坠落后果将可能十分严重，因此对于在人员密集或车辆、建筑密集的区域来说，这些都是非常重要的。
（2）具备基本的定点巡航能力，能够预先设定飞行线路，设置悬停位置、时间、高度等，便于教学目标的实现。
（3）具有3 kg以上的承载重量：主要是搭载教学设备，如摄像机等。
（4）具有一定的防损能力：包括飞机机身防火、防水和抗摔等方面，以及能够抵抗4-5级以上大风的能力，便于适应不同的教学环境。
（5）具备30分钟以上续航能力，结合电池消耗带来的实际续航时间，考虑理论课程时间和实际操作时间相结合。
3无线移动通信技术配置
3.1基于Android操作系统的应用配置
随着无人机在国内外的迅猛发展，越来越多的无人机特别是多旋翼配备了地面监控系统。目前主流市场上，载有基于Linux的自由及开放源代码的Android操作系统的移动终端已经推出并广泛应用，份额逐渐扩大，技术也越来越成熟。因此，选择Android操作系统手机或者无线终端设备，成为无人机教学培训的重要手段。基于Android操作系统平台开发定制的无人机手持地面站，内部集成高精度GPS，不经电脑连接即可调节无人机飞行参数，便于在教学过程中实时监测飞行及教学状态。
3.2建设无线通信基站
如有条件，可以建设地面接收基站，便于无线图像实时传输。基站可以设置视野开阔地方，实现教学场地全境完全覆盖。固定地面接收基站设备由一台无线图传接收机和天馈系统组成。机动接收基站可以选择手提箱接收机，接收机应配置USB接口，方便使用移动储存介质进行本地录像，还须配置以太网口，通过以太网口可接入网络传输视频信号，为了适合各种场合，机动接收机的工作频率通常由教师根据教学场合需要来确定。
4无人机课程任务重点
4.1教学任务目标
发布任务命令，要求无人机到某指定地点执行任务。无人机驾驶员根据任务命令，将地面控制站和无人机展、安装开做好准备工作，并进行起飞、巡航、降落路线的选择与规划，在地面控制站设计飞行航路节点和飞行高度剖面，设计任务执行过程中各种工作模式和程序。然后将任务规划中确定的参数载入到飞控计算机中，系统工作原理如图1所示。
无人机按照规划路线飞往任务执行区，并在任务区上空执行既定任务。任务载荷分系统开展搜索、拍摄等任务，并将获得的图像视频，通过无线数据传输链路进行发送给驾驶员。无人机执行完任务后按照任务规划航线返航，在起飞地点降落。
4.2教学任务完成方法
4.2.1人工操作方法
由学生人工操作发送指令经上行信道传递至机载计算机，通过机载飞行控制与管理系统执行对无人机姿态和飞行轨迹的控制。主要用于起飞和降落阶段。
4.2.2自动控制方法
在自动控制飞行模式下，学生能够操作无人机按预先编制好的程序自动飞行，机载飞控系统根据程序规定的预定航线和定位系统给出的飞机实际位置，自主完成对飞行轨迹的控制。无人机在执行远距飞行任务时，自动控制是主要的飞行控制方式。
4.2.3应急返航方法
无人机起飞后，例如无线电数据链上、下行信道连续丢失超过预定时间等问题，立即自动执行“应急返航”程序，返回到起飞地点，降落并关闭发动机。如遇突发事件，则通过学生发送“应急返航”指令。在“应急返航”模式下返回至起飞地点上空后，如果数据链恢复，则可以转入“人工操作”模式，在“人工操作”模式下完成降落操作。如图1所示。
5无人机教学原则
5.1移动优势原则
当前智能终端设备和移动互联网处于高速发展期，移动操作系统技术发展日新月异，无人机应用要充分结合移动智能设备中特有的特性，如位置信息、重力感应、多点触控、语音、照相、视频、磁场感应等设计功能与操作，突破传统PC模式下基于鼠标+键盘的设计。
5.2学生体验优先原则
无人机应用操作要简单，学生体验要亲切。充分借鉴移动互联网体验模式以及学生养成的使用习惯，学生体验要融入于无人机操作的全过程。
5.3平台统—原则
选择被学生广泛运用并熟悉掌握的Android操作系统手机或者无线终端设备，以及基于该平台开发定制的无人机手持地面站，目的都是坚持统一技术规范和指导，有效降低建设及运维成本。
5.4安全原则
无人机课程所处的环境（包括但不仅限于地点、设备、人员、天气等）相对于其他课程而言更加开放，不可控因素较多；因此，需要建立一套安全操作标准。
5.5移动终端设备支持原则
智能终端设备更新换代周期不超过1年。在这个唯一不变的就是“变化”的时期，紧紧跟随技术和时代脉搏是主旋律。移动应用实施技术也需要抓住业界技术变化的主旋律，聚集主技术主设备。
5.6符合法律规定原则
无人机使用频率应当通过无线电通信管理局核准，建议以学校层面与相关部门申请由工信部核发的无线电发射设备核准证，确保无人机无线设备不对其他合法无线电业务造成干扰。
6结语
无人机结构简单、体型小巧，飞行与维护成本低，使用灵活，携带方便，是一个集中多种高科技的空中遥感平台，在很多应用领域应用广泛，随着无人机市场的快速蓬勃发展，无人机应用教学课程进入高等院校课堂甚至发展成一门专业指日可待。而如何基于無线移动通信技术系统，整合无人机平台、遥感技术、实时图像传输、数据分析等技术，为教学服务，是必须解决的一个重要课题，这必将填补我国无人机应用课程教学的空白。
