无人机系统工程应用课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号： AS33131
课程名称： 无人机系统工程应用
英文名称： System Engineering & Application of UAV
课程学时： 32 讲课学时：24 实验学时：8 上机学时： 0 习题学时：
课程学分：2
开课单位： 航天学院控制与仿真中心
授课对象： 自动化、探测制导与控制技术本科生
开课学期： 4春
先修课程： 电路、自动控制原理、飞行器控制、单片机控制、系统工程基础
二、课程目标
无人机相关技术是当前的热点研究领域，无人机也在国防及民用等各领域实现了广泛的应用。学生拥有足够的兴趣掌握无人机相关原理和技术，以系统工程牵头开展相关教学符合科技发展趋势。使用系统工程理论并结合实际的应用需求，分析、设计与实现一个无人机系统，可加深学生对系统工程、自动控制原理、控制系统设计、单片机控制等知识的理解和掌握，使各门课程有机地结合起来，同时充分调动学生的主观能动性，增强学生的实际动手能力和控制系统实现能力。
通过本课程的学习，学生将掌握无人机的分类与基本飞行原理、无人机系统的分析与设计方法、无人机的飞行控制方法、无人机系统的实现方法等。本课程在控制科学与工程专业教学体系内为学生提供了一个热点应用方向的学习机会。
课程目标如下：
1. 掌握基于系统工程理论的无人机系统分析与设计方法，包括无人机系统的分析策略、无人机系统的各参数及性能指标、模型驱动分析法等系统工程分析方法在无人机系统上的应用、飞行器/动力系统/控制系统等无人机分系统的设计方法等；
2. 掌握无人机系统的实现方法，包括飞行器的实现、飞控系统的实现、综合电源管理系统的实现、作业系统的实现、无人机系统的集成与试飞；
3. 培养学生运用多门课程知识解决实际问题的能力，这些专业知识包括：系统工程、自动控制原理、电路、单片机原理、无线电控制原理等。
三、课程目标与毕业要求对应关系
毕业要求 | 毕业要求具体描述 | 课程目标 |
1. 知识应用：能够在自动化领域的系统建模、分析、设计与实现等环节运用数学、自然科学、工程基础和专业知识。 2. 问题分析：能够应用数学和自然科学的基本原理，并通过文献研究，从系统的角度对自动化领域的系统工程问题进行识别、表达和分析，以获得有效结论。 3. 方案设计/开发：能够针对自动化领域的系统工程问题，设计和开发适当的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元或操作流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。 4. 研究：能够基于科学原理并采用科学方法对自动化相关领域的系统工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。 5. 工具使用：能够针对自动化领域的系统工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对系统工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。 | 1-1 能运用数学和自然科学对自动化系统进行机理建模或实验建模。 1-2 能运用数学和专业知识对自动化系统进行分析、设计和优化。 1-3 能运用工程基础和专业知识对自动化系统工程问题的解决方案进行技术实现和性能检验。 2-1能应用数学和自然科学基本原理，对自动化系统工程问题进行建模，并能检验模型的合理性。 2-2能从系统的角度识别和表达自动化系统工程问题中的需求、制约和冲突因素。 3-1能够根据指标需求及约束因素，确定自动化系统的总体设计方案。 3-2能够把对自动化系统的总体性能指标或功能要求分解到各个单元，为器件选型提供依据。 4-2能够通过理论推导或实验、仿真，对自动化系统的设计方案进行性能评价。 4-3能够分析与解释实验或仿真结果，并为自动化系统设计方案的改进及优化提供合理有效的建议。 5-1能够针对所涉及的自动化系统的特点，选择或提出恰当的技术方案。 5-2能够运用现代软硬件开发、测试与分析工具对自动化系统进行分析、设计与实现。 5-5能够理解所使用的技术、工具或资源的局限性。 | 课程目标1 |
1. 知识应用：能够在自动化领域的系统建模、分析、设计与实现等环节运用数学、自然科学、工程基础和专业知识。 5. 工具使用：能够针对自动化领域的系统工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对系统工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。 | 1-3 能运用工程基础和专业知识对自动化系统工程问题的解决方案进行技术实现和性能检验。 5-2能够运用现代软硬件开发、测试与分析工具对自动化系统进行分析、设计与实现。 5-3能够利用信息技术工具获取文献、公开的代码或数据库等资源，用以解决自动化领域的系统工程问题。 5-4能够利用仿真、模拟工具对自动化系统的设计方案进行评价，或对系统运行结果进行预测。 5-5 能够理解所使用的技术、工具或资源的局限性。 | 课程目标2 |
9. 个人和团队：具有较强的个人和团队意识，能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。 10. 沟通：具有良好的沟通能力。能够就自动化领域的系统工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。 12. 终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。 | 9-1 能胜任团队成员的角色和责任，完成团队分配的工作。 9-2 能与团队其他角色或学科的成员进行有效的沟通、协作和信息共享。 9-3 能够组织团队成员开展工作，发挥团队中每个角色的作用。 9-4 能够通过协调和听取反馈，综合自己和团队其他成员的意见，进行合理决策。 10-1 能够通过规范撰写的报告和设计文稿，以及清晰的陈述发言、表达或回应指令，与业界同行进行有效沟通和交流。 12-1 能够通过自学从指定或推荐的文献中掌握所需的知识和技能。 12-2 能够在解决工程实际问题中发现自身还欠缺的知识、技能，并通过查阅相关文献或接受相关培训加以掌握。 12-3 能够适应国家、社会的需求和专业、行业的发展趋势，具有终身学习的意识和不断探索的能力。 | 课程目标3 |
注：毕业要求参照附件（工程教育认证通用标准之毕业要求），从中选取课程目标支撑的毕业要求条目。
四、课程目标与课程内容对应关系
序号 | 教学内容 | 教学要求 | 学时 | 教学方式 | 对应课程 目标 |
1 | 无人机技术导论 | (1) 掌握现代无人机的分类与特点； (2) 掌握各类无人机的结构与飞行原理； (3) 了解无人机的发展与应用。 | 2 | 授课 | 课程目标1 |
2 | 实验1：无人机飞行演示 | (1) 了解多旋翼和直升机无人机的实际飞行效果，加深对无人机飞行原理和应用的理解。 (2) 了解无线电遥控系统； (3) 了解自主飞行控制系统。 | 2 | 实验 | 课程目标1 |
3 | 无人机系统的分析方法 | (1) 掌握无人机系统的分析策略； (2) 了解无人机的各参数及性能指标； (3) 掌握模型驱动分析法； (4) 掌握加速系统分析法； (5) 掌握需求获取法； (6) 掌握执行过程重构法。 | 6 | 讲授 | 课程目标1 |
4 | 无人机系统的设计方法 | (1) 了解飞行器的选型与设计方法； (2) 了解无人机的动力系统设计方法； (3) 掌握无人机的飞控系统设计方法； (4) 掌握无人机的传感器系统设计方法； (5) 掌握无人机的地面站设计方法； (6) 掌握无人机的作业系统设计方法。 | 6 | 讲授 | 课程目标1 |
5 | 无人机系统的实现方法 | (1) 了解无人机系统的飞行器实现方法，具备采购、组装所需飞行器的必备知识； (2) 掌握无人机飞控系统的实现方法，具备控制律单片机编程实现、PCB (Printed Circuit Board, 印刷电路板) 制图、飞控板调试等基本能力； (3) 掌握无人机综合电源管理系统的实现方法，具备选用锂电池功率与无人机飞行能力的匹配计算、DC-DC稳压电路的实现等基本能力、； (4) 掌握无人机作业系统的实现方法，具备触发式作业系统、图像传输系统、云台系统的组装与实现能力； (5) 具备无人机系统的集成与试飞能力。 | 8 | 讲授 | 课程目标2 |
6 | 实验2：旋翼天平控制系统 | (1) 设计可以稳定控制旋翼天平的PID控制律； (2) 完成基于AVR Mega8L/STM32单片机的控制程序编制； (3) 完成PCB控制板设计； (4) 完成PCB控制板在旋翼天平系统上的实际控制测试。 | 4 | 实验 | 课程目标2 课程目标3 |
7 | 实验3：多旋翼无人机系统的集成与设定 | (1) 完成多旋翼无人机的控制系统、电源管理系统、作业系统的接线与组装； (2) 完成多旋翼无人机系统的设定； (3) 完成多旋翼无人机系统的启动与测试。 | 2 | 实验 | 课程目标2 课程目标3 |
8 | 无人机的未来发展 | (1) 了解基于人工智能的无人机系统； (2) 了解基于集群控制的无人机系统； (3) 了解载人无人机系统。 | 4 | 讲授 | 课程目标3 |
五、课程教学方法
课程教学采用课堂讲授与课程设计展示相结合的方式，具体如下：
1. 课堂讲授
1.1 采用寓教于乐的教学方法，使用无人机实物展示、飞行控制系统展示、无人机实际飞行等演示环节，帮助学生直观地建立无人机系统的概念，激发学生的兴趣；
1.2 采用由实际问题和需求引出相关原理、数学基础、方法等的教学方式。在讲解理论与方法之前，先解释其由来和物理意义，帮助学生真正理解和掌握数学原理和计算方法；
1.3 使用多媒体课件结合传统板书教学，帮助学生形象地理解知识，并给学生充分的时间思考、消化和理解知识；
1.4 每一次课程都结合实物进行演示说明，摒弃只讲原理、算法、公式等纯理论的教学；
1.5 注重互动教学，适当地在课堂上以提问的方式抓住学生的思维与关注点；
1.6 注重适当的英语教学，穿插讲解名词、术语的英文名称，结合英文板书、短幅的英文注释和讲解。
2. 实验教学
2.1 使用有手控备份的无人机自主飞行系统，结合课堂教学内容为学生实际演示无人机的飞行原理、无人机系统的组成、飞控系统的运行、以及飞行控制效果等；
2.2 在实际飞行演示的同时，注意结合基础知识和理论原理为学生进行解释；
2.3 使用若干台计算机，将学生分为5人一组的小组，使用Mega8L/STM32单片机及CodeVisionAVR等编译环境，并使用ISPro/J-Link等下载型单片机编程器，结合预先准备好的控制板和被控对象（无刷电机、舵机、陀螺仪/加速度等），在确保安全的情况下由学生编程实现对无人机执行机构和传感器的控制与应用；
2.4 由学生完成无人机系统的集成，并在地面进行试验与测试。
六、课程考核方法
课程考核以检验课程目标的达成度为手段，进而评价学生学习成果的达成度。考核的环节包括实验考察和期末考试，总成绩以百分计，满分100分。各考核环节的具体描述如下表。
考核环节 | 所占分值 | 考核与评价细则 | 对应课程目标 |
实验考察 | 40 | 1. 考察学生对无人机系统的分析、设计和实现能力； 2. 动力系统占20%，控制系统占50%，作业系统占30%； 3. 5名学生一个小组。确保5名组员的成绩在一个区间内，根据每名学生的具体表现对个体成绩上下浮动。 | 课程目标1 课程目标2 课程目标3 |
期末考试 | 60 | 1. 分为基础知识考察和知识运用考察两部分，基础知识考察占20%，知识运用考察占80%； 2. 题目为填空题和问答题两种，填空题占30%，问答题占70%； 3. 主要考察内容为：无人机的分类及飞行原理、无人机系统的分析、无人机系统的设计、无人机系统的实现。 | 课程目标1 课程目标2 |
七、主要教材与参考书
[1]. Beard R.W., McLain T.W.《Small Unmanned Aircraft Theory and Practice》. Princeton University Press. 2012年.
[2]. Jefferey L. Whitten，Lonnie D. Bentley.《系统分析与设计导论》. 机械工业出版社. 2011年.
[3]. 萨格（美）等著，李芳等翻译.《系统分析与设计》.电子工业出版社.2006年.
[3]. 全权.《多旋翼无人机设计与控制》. 北京航空航天大学. 未出版. 网络下载地址：http://rfly.buaa.edu.cn/course.html. 2015年
[4]. Atmel.《Mega8L Datasheet》.网络下载. 2008年.
[5]. ST Microelectronics.《STM32 Datasheet》.网络下载. 2012年.
大纲撰写人： 方可 大纲审核人：
附件：
毕业要求
（摘自工程教育认证通用标准）
专业必须有明确、公开的毕业要求，毕业要求应能支撑培养目标的达成。专业应通过评价证明毕业要求的达成。专业制定的毕业要求应完全覆盖以下内容：
1.工程知识：能够将数学、自然科学、工程基础和专业知识用于解决复杂工程问题。
2.问题分析：能够应用数学、自然科学和工程科学的基本原理，识别、表达、并通过文献研究分析复杂工程问题，以获得有效结论。
3.设计/开发解决方案：能够设计针对复杂工程问题的解决方案，设计满足特定需求的系统、单元（部件）或工艺流程，并能够在设计环节中体现创新意识，考虑社会、健康、安全、法律、文化以及环境等因素。
4.研究：能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括设计实验、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论。
5.使用现代工具：能够针对复杂工程问题，开发、选择与使用恰当的技术、资源、现代工程工具和信息技术工具，包括对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。
6.工程与社会：能够基于工程相关背景知识进行合理分析，评价专业工程实践和复杂工程问题解决方案对社会、健康、安全、法律以及文化的影响，并理解应承担的责任。
7.环境和可持续发展：能够理解和评价针对复杂工程问题的专业工程实践对环境、社会可持续发展的影响。
8.职业规范：具有人文社会科学素养、社会责任感，能够在工程实践中理解并遵守工程职业道德和规范，履行责任。
9.个人和团队：能够在多学科背景下的团队中承担个体、团队成员以及负责人的角色。
10.沟通：能够就复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流，包括撰写报告和设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。并具备一定的国际视野，能够在跨文化背景下进行沟通和交流。
11.项目管理：理解并掌握工程管理原理与经济决策方法，并能在多学科环境中应用。
12.终身学习：具有自主学习和终身学习的意识，有不断学习和适应发展的能力。
