无人机控制课程教学大纲
一、课程基本信息
课程编号： AS33114
课程名称：无人机控制
英文名称：Control of Unmanned Aerial Vehicle（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：0
课程学分：2
开课单位：航天学院控制科学与工程系
授课对象：自动化专业本科生；探测、制导与控制专业本科生
开课学期：4秋
先修课程：自动控制原理、自动控制元件及线路、电路原理
二、课程目标
无人机控制课程是自动化专业本科生一门重要的选修课程，是学生从事无人机控制系统设计领域研究工作的基础。本课程利用授课教师所在实验室研发的小型四旋翼无人机和涵道式无人机等系统样机，搭建专业理论与工程实践高度结合的学习和研究平台，增强学生对无人机控制系统设计基础知识的理解，培养和提高学生自主创新能力和技术应用水平。
本课程主要讲授无人机系统概论、无人机控制系统介绍、无人机系统建模、无人机传感器、无人机执行机构、无人机控制系统分析与设计、无人机综合控制系统及地面站系统设计、无人机飞行控制仿真和飞行演示实验等内容。通过本课程课堂教学、控制系统仿真及演示实验等环节，目的旨在使学生了解当今无人机的发展趋势、掌握无人机导航和控制原理、具备针对无人机的基本分析控制系统设计能力、增强对无人机领域的科学技术研究的兴趣、培养学生在工程应用中独立思考和自主创新的能力。
本课程采用多形式教学方法和分阶段考核成绩的方式，着重培养学生的工程实践能力和独立解决问题能力，支撑本专业学生毕业要求相应指标点的达成。课程目标对学生的能力要求如下：
课程目标1.了解当今无人机控制领域技术的发展趋势，掌握小型无人机控制系统的基本结构和工作原理，以及自动化专业知识在工程实践中的典型应用；
课程目标2.具备针对无人机控制系统功能的基本分析、设计和实现能力，增强对无人机控制领域的研究兴趣，培养学生在工程实践中独立思考和自主创新的能力；
课程目标3.掌握无人机控制系统的建模、控制器设计和数值仿真分析等专业技术，以小型四旋翼无人机系统样机为平台，深化学生对控制系统设计专业知识的理解及应用，培养学生自主创新能力和工程实践技术水平。
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.工程知识 | 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。 | 课程目标1 |
2.问题分析 3.设计/开发解决方案 | 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。 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。 3-4能够结合具体工程对象及环境，对自动化系统的设计方案进行比较、改进和优化，在设计环节中体现创新意识。 | 课程目标2 |
4.研究 5.使用现代工具 | 4-1能基于科学原理并采用科学方法，设计适当的实验，对自动化系统进行模型辨识、参数或状态估计。 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。 | 课程目标3 |
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 | 无人机系统概论： （1）讲解本课程的目的、要求及授课内容； （2）介绍无人机种类、国内外发展现状，通过几种典型的无人机介绍无人机的应用方式及任务； （3）讲授无人机控制系统的基本组成原理，说明飞控系统的重要作用及其功能，介绍无人机飞控系统的设计方法及发展趋势。 | 1.要求学生对无人机控制系统有总体的了解； 2.掌握无人飞行器控制系统的作用、特性及发展趋势，为深入学习做好准备。 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
2 | 无人机控制系统介绍： （1）介绍无人机控制系统的概念和组成，分析控制系统中各部分的主要功能和重要性； （2）简述无人机控制系统主要性能指标，介绍性能指标对无人机控制系统的影响，分析各个指标与自动控制原理课程中讲述的各种指标的对应关系。 | 1.要求学生了解无人机控制系统的相关基础知识，为控制系统的设计奠定理论基础； 2.掌握无人机控制系统性能指标的定义及物理意义。 | 2 | 讲授 | 课程目标1 |
3 | 无人机系统建模： （1）讲解坐标系的定义及转换关系，推导转换的方向余弦矩阵；介绍刚体运动学的相关知识； （2）讲授无人机空气动力学基本概念和原理，包括固定翼和旋翼两种飞行器的基本空气动力学知识； （3）介绍无人机的动力学特性，分析作用在无人机上的力和力矩，进一步阐述无人机的数学建模方法，建立系统空间运动学方程及简化、线性化处理方法。 | 1.熟悉无人机的数学模型、线性化处理方法、不同模型的差异化处理等； 2.掌握无人机的数学模型描述方法以及运动特性。 | 4 | 讲授 | 课程目标1 课程目标2 |
4 | 无人机传感器及其应用： （1）介绍无人机飞行控制系统执行机构的基本工作原理、结构组成和分类方法； （2）讲解无人机飞控系统执行机构与控制性能指标的对应关系，分析无人机的气动力和直接力控制方法； （3）介绍无人机发动机种类及应用，阐述无人机舵机特性、参数及应用。 | 1.了解无人机典型的传感器装置及应用、运动参数的获取及处理等； 2.掌握传感器的工作原理及工程应用方法。 | 4 | 讲授 | 课程目标1 |
5 | 无人机执行机构及其应用： （1）介绍无人机飞行控制系统执行机构的基本工作原理、结构组成和分类方法； （2）讲解无人机飞控系统执行机构与控制性能指标的对应关系，分析无人机的气动力和直接力控制方法； （3）介绍无人机发动机种类及应用，阐述无人机舵机特性、参数及应用。 | 1.了解无人机典型的执行器机构及应用、气动力控制装置及方法等； 2.要求学生掌握执行机构的工作原理及工程应用。 | 4 | 讲授 | 课程目标1 |
6 | 无人机控制系统的分析与设计： （1）讲授无人机控制系统分析方法，包括性能指标确定和分解、系统指标分配； （2）无人机控制系统硬件设计，包括无人机自动驾驶仪原理及设计、无人机传感器布局及信号处理； （3）结合无人机动力学模型和性能指标，介绍无人机姿态控制系统和飞行数字控制系统的设计要求及设计方法，讲解控制系统设计的数值仿真验证方法； （4）讲授无人机控制系统的软件设计要求和方法，包括软件功能需求、控制器离散设计方法、软件可靠性设计等，并介绍控制系统设计中常见的工程化问题。 | 1.熟悉无人机控制系统的特点、基本组成、基本功能、总体设计方法等； 2.掌握无人机控制系统的基本分析与设计方法及工程化应用。 | 4 | 讲授 | 课程目标2 |
7 | 无人机综合控制系统及地面站系统设计： （1）讲授如何分析性能指标需求，结合无人机动力学特性和控制方法，确定无人机综合控制系统的总体方案及设计方法，包括机载电源系统、机载通讯指挥系统、无人机有效载荷系统等； （2）介绍无人机地面站系统需求和组成，分析无人机系统人机交互及地面指挥系统的需求和设计方法； （3）介绍无人机系统的任务规划和辅助决策等无人机应用中面临的问题和解决方案。 | 1.熟悉无人机控制系统的总体方案设计、接口布局、软/硬件配置、地面站功能与实现等； 2.了解无人机控制系统的具体结构、系统分析和试验方法； 3.具备独立完成无人机基本系统功能的设计与实现能力。 | 4 | 讲授 | 课程目标2 |
8 | 无人机飞行控制系统仿真： （1）利用Matlab仿真环境，对无人机飞行控制系统设计进行数值仿真验证； （2）指导学生根据无人机参数模型和控制系统指标设计控制器并验证。 | 1.了解无人机控制系统的数值仿真方法； 2.掌握无人机模型参数配置与性能指标实现；3.掌握飞行控制系统控制器设计方法。 | 4 | 实验 | 课程目标3 |
9 | 四旋翼无人机自主飞行控制系统实验： （1）利用课题组研制的四旋翼无人飞行器样机介绍自主飞行控制系统结构组成及工作原理； （2）阐述四旋翼无人机的自主飞行控制系统、地面站系统和无人机通讯系统等主要组件的功能配置及使用方法。 | 1.了解四旋翼无人机系统结构与控制方法； 2.掌握无人机控制参数、地面站软件和通信接口的配置及操作方法。 | 4 | 实验 | 课程目标3 |
五、课程教学方法
1.采用启发式教学，激发学生主动学习的兴趣，培养学生独立思考、分析问题和解决问题的能力，引导学生主动通过工程实践和自学获得自己想学到的知识。
2.采用电子教案、多媒体教学与传统板书教学相结合，提高课堂教学内容的信息量，增强教学的直观性。
3.采用案例教学：理论教学与工程实践相结合，引导学生应用力学、电子学和控制科学的基本原理，采用现代设计方法和手段，进行建模分析、控制器设计与仿真，培养其识别、表达和解决无人机相关的工程问题的思维方法和实践能力。
六、课程考核方法
考核环节 | 所占分值 | 考核与评价细则 | 对应课程目标 |
课程 设计 | 20 | （1）结合教学内容提出无人机控制系统设计要求，以设计报告的形式进行考核，考查学生对系统知识的掌握程度和技术水平； （2）课程设计报告成绩满分20分，由授课老师给出并直接计入总评成绩。 | 课程目标1 |
实验 报告 | 20 | （1）根据学生的实验情况和实验报告质量单独评分； （2）满分 20分，由实验指导教师打分，直接计入总评成绩。 | 课程目标3 |
期末 考试 | 60 | （1）卷面成绩 100分，以卷面成绩乘以其在总评成绩中所占的比例计入课程总评成绩。 （2）主要考核无人机动力学、数学建模、控制器设计等课程内容。 （3）考试题型为作图题、计算题和简答题等。 | 课程目标2 |
七、主要教材与参考书
[1] 曾庆华、郭振云.《无人机飞行控制技术与工程》. 国防工业出版社. 2011.
[2] 法斯多姆(美). 吴汉平译. 《无人机系统导论》. 电子工业出版社. 2003.
大纲撰写人：伊国兴、奚伯齐 大纲审核人：
