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为无人机教育装上腾飞“引擎”

——北航可靠飞行控制组负责人全权与无人机的故事

发布时间:2020-08-15 作者:凌云 来源:中国教育报

近年来,无人机产业快速发展,以大疆为代表的无人机研发生产及应用企业,推动无人机应用到救灾、农业、物流等各行业,掀起了一股无人机热。然而,与产业界的热火朝天相比,尽管已有不少高校开设了无人机专业,但是无人机教育仍处于起步阶段,教材、教具和教师缺乏,学校培养的人才无法满足市场需求,尤其是既懂动力系统、硬件设计,又懂软件算法、调试控制的全栈式复合型人才,市场上奇缺。

作为北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院自控系副教授、可靠飞行控制研究组负责人,全权自2010年以来深耕多旋翼无人机研究和教育领域,撰写了第一本多旋翼飞行器的理论入门书,广泛应用于中国及欧美大学课堂,出版并研发了多旋翼无人机实践实验教学的教材及实验平台,解决了无人机教学面临的开发难题,受到从事无人机科研、教育、学习及应用的群体欢迎,为我国无人机专业建设和人才培养装备增添了强力引擎。

    撰写第一本多旋翼无人机教材,全球下载4.3万次

全权2010年博士毕业后留校工作,致力于无人机专业研究和教育已有10年时间,亲历无人机产业爆炸式发展,但也苦恼于多旋翼无人机教材、教具及课程的匮乏,已经严重影响到学生培养和团队科研工作。

“无人机火起来之后,为了指导学生系统学习无人机知识,提高团队科研效率,我在全世界寻找多旋翼飞行器的系统性书籍,但是都没有找到。”全权说,他动了自己动手撰写世界上第一本多旋翼飞行器设计与控制教科书的念头。

于是,全权全身心投入到教材研究撰写过程中,多旋翼飞行器的设计与控制非常复杂,不仅涉及力学、电子工程、计算机技术和自动控制技术等多学科多专业,而且要以多旋翼飞行器为对象,将相关学科知识融会贯通、有机串联整合起来,教材编写难度大,对全权提出了很大挑战。“从2015年到2017年,近3年时间,我一边学习一边输出,一边编写教材一边授课教学,恶补了很多其他学科的专业知识,终于把教材撰写出来了。”全权说。

2017年,世界上第一本多旋翼飞行器设计与控制教材英文版本由施普林格出版社出版,描绘出一幅完整的多旋翼飞行器系统的概貌图,涵盖了多旋翼飞行器的设计、建模、感知、控制和决策等各个方面。

《连线》杂志前任主编克里斯·安德森评价称:“这是一本多旋翼飞行器控制最佳入门的教科书。本书清晰和全面,涵盖了从基本原理到高级技术的发展过程,这对任何希望学习如何设计飞行机器人的人来说是一个必读教材。”

    研发易用性高效率创意平台,降低无人机教育门槛

无人机爱好者“铁钢”是某“双一流”建设高校在读博士生,有过多年的无人机飞行经验,现在在进行无人机设计方面的研究。为了摸索无人机的设计和控制,他曾经走了不少弯路。他表示:“无人机是一个横跨控制、硬件、气动、飞行器设计等多个领域的学科,学习难度很大,如果没有系统、科学的指导,很难把无人机研究清楚。”

前不久,听闻全权老师开设了多旋翼飞行器设计与实践的网络课程,“铁钢”又果断报了名,课程干货众多、收获满满,逐步掌握了多旋翼无人机设计和控制的诸多难点。

全权表示:“我们配套研发了可靠飞行仿真(RflySim)实验平台,利用‘基于模型开发’流程,将多旋翼飞行器、自驾仪以及编程语言紧密联系在一起,更有利于无人机全栈式工程师的培养。”

可靠飞行仿真实验平台的研发和应用,使得无人机的教育,从“旧时王谢堂前燕”,到如今真正“飞入寻常百姓家”,一下子降低了无人机教育的门槛。据了解,以往要将无人机设计和控制的研究设想应用到实际飞行时,即使是实现一个很简单的算法,也需要花上三四周的时间,由于缺乏可视化、仿真软件,大量时间浪费在算法和软硬件调试上面。全权将多旋翼飞行器誉为“控制实践的试金石”。

他进一步解释说:“由于涉及复杂工程问题,多旋翼飞行器的设计与控制基本上覆盖了工程教育认证标准的所有内容,包括从问题分析到设计解决方案,从使用现代工具到利用创新锂能解决社会问题,从学生的研究能力培养到合作能力与沟通能力的提升,等等。而可靠飞行仿真实验平台的研发和应用,实现了从理论到实践,从研究到产业的无缝对接,有利于真正提升学生综合能力,培养复合型全栈式工程人才。”

正是由于这样开创性的贡献,该平台于2019年荣获了第二届全国高校自动化专业青年教师实验设备设计“创客大赛”两个金奖之一。北航向锦武院士称赞:“《多旋翼飞行器设计与控制实践》的系统化知识体系和先进开发流程综合,是对无人机控制领域一个及时和重要的贡献。”

    线上线下累计授课上万人次,为无人机腾飞储备更多人才

从事无人机研发生产的企业界人士耿学中表示:“无人机产业这几年迅猛发展,但业界现在最缺的就是人才,人才培养的速度太慢,无人机产业的腾飞需要培养更多人才,全权教授研究的教材、课程和平台,解决了人才培养的燃眉之急。”

据了解,全权除了在北航讲授多旋翼飞行器设计与控制的相关课程之外,还积极利用大学MOOC爱课程、网易云课堂等在线教育平台进行授课,授课对象覆盖全国其他高校师生、产业界工程师等,线上线下累计授课人数超过1万人次,其中爱课程平台开课3轮次,共有7884人次参加,网易云课堂596人次参加,深蓝学院730人次参加,满意度超过95%。

江苏师范大学电气工程及自动化学院副院长段纳是控制理论联系实践的积极倡导者,她对多旋翼飞行器设计与控制课程非常认可。该院已经组织3批次师生参加全权团队组织的线上线下课程。段纳院长表示,该课程和平台非常实用,解决了他们在无人机研究和教学过程中的调试、仿真、实飞等难题。近年来,全权团队利用课程和实验平台,加强科学研究和学生培养,先后荣获多次奖项,发表核心期刊论文多篇。

“有了教材和实验平台,上完课以后,学生们能够将一些创意和创新真正落到实处。”全权说,“我们非常鼓励学生们提出有创意的想法,例如利用多旋翼飞行器进行灭火,指导小学生们利用多旋翼飞行器编舞等。”

《中国教育报》2020年08月15日第3版 

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