基于四轴飞行器的合训类本科毕业设计实践

徐建军，毛晓光，刘万伟，李 暾

（国防科学技术大学 计算机学院，湖南 长沙 410073）

摘 要：针对信息化战争的发展趋势和基础合训类学员的任职需求，以提高学员的综合实践能力和激发学员的学习兴趣为目的，介绍基于AR.Drone四轴飞行器开展飞行器控制软件的合训类本科毕业设计的探索实践。

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关键词 ：基础合训；本科毕业设计；四轴飞行器；AR.Drone

第一作者简介：徐建军，男，讲师，研究方向为软件工程、程序分析、软件容错，jianjun.xu@yeah.net。

0 引 言

毕业设计是高等院校培养高素质综合型人才的最后一个阶段，也是学员在任职前经历的一个综合性、实践性很强的教学环节。在毕业设计过程中，学员在导师的指导下，综合运用本科期间所学的专业知识和基本技能分析、研究和解决一个实际问题，从而提高学员的实践能力和综合素质，其质量是衡量高等院校教育教学水平的一项重要指标[1-2]。

基础合训类学员的教学目标是培养适应军队现代化建设、打赢信息化战争需要的懂技术、会 管理、能指挥的高素质初级指挥军官。作为从院校走向部队工作岗位的一个过渡，合训类本科毕业设计应该反映作战方法研究和工程技术研究的双重特点[3-4]，题目要具有一定的应用性和前瞻性，例如各种新型武器装备在作战应用中的现实问题和直接需求[5-6]。

围绕“院校教育向部队靠拢”这个主题，针对如何适应部队未来信息化作战需要以及如何培养学员实践动手能力和激发学习兴趣等问题，笔者所在教研室在AR.Drone四轴飞行器的基础上开展了合训类本科毕业设计的探索，从选题、开题、指导、演示到答辩等整个环节采取了一系列措施。

1 AR.Drone飞行器和选题介绍

当前，无人作战平台、自治系统在现代化战争中得到广泛应用，无人飞行器凭借成本低、适应力强、出勤率高、零伤亡等特点成为现代战争的重要组成部分。无人飞行器如何完成作战任务、如何进行技术革新是现代军人面临的问题。作为未来信息化战争的主力军，合训学员应该了解、应用、革新无人飞行器等新型武器装备。

近两年来，我们以 AR.Drone 四轴飞行器为平台，开展面向无人飞行器控制软件创新实验的合训类本科毕业设计，旨在提高学员对信息化装备的操控能力和技术革新能力，并了解信息化装备战斗力生成的一般模式和创新思维。

AR.Drone 是法国 Parrot 公司开发的一款遥控四轴飞行器（如图 1 所示），计算机、平板电脑和智能手机等设备可以通过 Wi-Fi 网络对其进行远程控制。AR.Drone 有 4 个无刷内转马达以及陀螺仪、加速度计、磁强计、超声波等传感器，配备两个摄像头，使用 ARM A8 CPU 和 Linux 操作系统。计算机可以通过网络发送指令控制飞行器动作以及获取状态、角度、海拔、速度等飞行数据和传感器获取的各种数据，尤为重要的是 AR.Drone 还提供丰富的二次开发接口和成熟的 SDK 开发环境。

在 AR.Drone 平台上，我们围绕飞行器控制软件革新这个主题，结合现代战争对无人飞行器的应用需求开展合训类本科毕业设计，已有选题如表1所示。由表1可知，这些毕业设计选题具有鲜明的军事特色，可有效提高无人飞行器的军事应用价值和智能化水平，所涉及的技术内容与本科阶段学习的很多计算机专业课程密切相关（例如网络、嵌入式设备、计算机图形学、人工智能等），从而能够进一步深化与升华所学基础理论和专业知识并提高学员的综合实践能力。

2 主要采取的措施

这些题目公布之后，立刻在学校合训类学员中引起很大反响，很多学员主动要求参加四轴飞行器的毕业设计。但是合训类学员为了适应第一任职的需要，本科学习期间在军事指挥及体育训练方面花费了很多时间，相比技术类学员而言，合训类学员在专业基础和实践能力上有所不足；合训类学员在毕业学期还面临繁重的毕业联考任务，从事毕业设计的时间和精力不能得到有效保障。

相比以前的毕业设计题目，这些题目的难度和工作量明显增加。为保证完成质量，我们从选题、开题、指导、成果演示、论文撰写到答辩的整个过程都采取了一些针对性措施，取得了较好的效果。

2.1 选题和前期准备

在拟定题目时，教研室组织相关指导教员集中讨论，以技术专题形式给出一组有军事应用背景、难度适中的题目，而且要求指导教员清晰明了题目的主要工作量、技术路线和难点；然后，在教务统一组织下进行毕业设计题目宣讲，介绍题目的主要任务和所需的基础知识等，使学员能够针对自身情况进行选题，并请学员队推荐一些基础好、动手能力强的学员。为了保证前期准备更加充分，这些工作提前到第七学期完成。

在学员选定题目后，导师与学员见面，进一步介绍课题并提供相应资料，并要求学员在第七学期（包括寒假期间）预先准备好一些工作，包括学习相关的专业知识和阅读 AR.Drone 的技术文档等。

2.2 开题及开发平台搭建

开题是让学员在导师指导下通过查阅资料和初步的研究工作进一步加深对课题的理解，了解国内外的现状和相关发展趋势，明晰课题需要解决的关键理论问题和实际问题，并确定研究的基本方法、技术路线和实验方案。学员要与导师一起确定研究计划，并估计可能遇到的困难和拟采取的解决措施。由于资料较多，且主要为英文材料，这个阶段鼓励同一专题的学员分工阅读，然后再通过报告、讨论的形式在组内交流，一方面减少工作量，另一方面锻炼口头表达能力。

由于AR.Drone自带的SDK规模较大，并且涉及飞行器的很多技术细节问题，学员难以快速理解和掌握。我们在AR.Drone SDK的基础上，结合一些开源项目构建了一个二次开发平台。这个平台把AR.Drone的常用功能进一步封装成一些API，主要分为飞行器控制和传感器数据接收两个模块，同时还把需要用到的第三方资源（例如计算机视觉库 OpenCV）一并打包。这个平台在很大程度上减少了毕业设计的工作量，使学员将精力集中到课题本身的研究上。

2.3 全程指导

学校要求合训类毕业设计以技术专题的形式组织，每个专题包括 5~7 个子课题，由一个导师组负责，导师组中每位老师指导1~2名学生。每位导师的专业方向有所差异，这样对学员的指导更加全面。每个导师组由一名正高职教员任负责人，进行该组的整体协调，并对毕业设计整体进度进行检查、督促。学校要求学员每个星期都要向导师汇报工作进展，每个月向导师组汇报一次，使整个过程中每名学员的毕业设计进度可控，不会被联考等任务所干扰而滞后。

“授人以鱼不如授之以渔”，导师指导不是直接告诉结果或帮学员调试程序，而是介绍原理、传授经验和启迪思想，尽量培养学员的自学能力，这样才会在毕业设计的后期发挥重要作用，对学员今后的成长也大有裨益。教员还要注意培养一种组内团结协作的气氛，鼓励学员之间的相互学习和探讨，基础好的要多帮助基础稍差的，彼此形成一种良性的竞争。

2.4 成果演示及论文撰写

学校规定合训类毕业设计在答辩前必须进行成果演示，由导师组之外的教员构成专家组现场评审，演示不通过则不能答辩。为确保演示成功，要求学员在完成程序编写和调试外，还要进行严格的测试，并做异常情景处理预案，这也是培养综合素质的一方面。

撰写论文是毕业设计本身的要求，表达和写作能力对今后工作来说也非常重要。但是，由于学员之前并没有接受过这方面的系统训练，科技论文写作的基础比较薄弱，还有部分学员把毕业设计局限为写好程序和做好实验，对论文不够重视。导师应帮学员认识到撰写毕业论文的意义，介绍论文撰写方法和规范，梳理论文主要提纲。论文经常出现的问题是：工作重点不突出，内容逻辑性不严谨，图表、公式和教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献引用不规范等。所以，学员需要在导师的指导下对论文反复修改。目前，学校对本科毕业论文还有查重的要求，这就需要在撰写论文时一定要用自己的语言进行表述。

2.5 论文评阅及答辩

在论文提交后，由两名教员对论文进行评阅，给出评定结果和具体修改意见，并责令指导教员督促学员修改论文。论文评阅要在答辩前两周完成，目的是给论文修改留下足够时间。

在论文答辩阶段需要学员完成报告片的制作和试讲，导师要让学员明白答辩的重点是在有限的时间内围绕自己的核心工作和关键环节进行介绍，重点要突出，思路要清晰，这样才能给答辩专家留下深刻印象。由于临场经验欠缺等主观因素，很多学员答辩报告的质量仍然不够理想。答辩前导师需要组织答辩试讲，通过反复的练习、点评提高学员的临场表达能力和对报告进度的控制能力。

3 成果和不足

基于AR.Drone飞行器进行合训本科毕业设计的效果总体较好。笔者所在导师组指导的 12 名学员中，基本上顺利完成了任务书预定的目标，成绩优秀、良好和中等各有 2 名、8 名、2 名。图 2 给出了在基于手势识别的飞行指挥课题中，进行手势识别的测试截图。

学员们普遍反映，通过毕业设计，个人的自学能力、动手实践能力和论文写作能力等都有明显提高。学员们自己动手编写一个控制程序，使飞行器能够完成一些军事特色的应用，觉得很有成就感。

主要存在的问题是毕业设计题目的难度相比以前有所增加，有些题目涉及网络、硬件、软件等多个方面，合训类学员基础较薄弱、动手实践能力不强，而且他们还需要在毕业联考上投入不少时间，这导致很多学员在毕业设计的前期进展非常缓慢，后面的时间比较紧张，有的学员由于迟迟没有进展而产生了放弃的想法。在导师的鼓励和指导下，虽然最后基本上完成任务，但是完成的质量还不够理想。所以，结合基础合训类学员的特点， 设计一些难度适中的课题是我们未来的工作重点。

4 结 语

结合新型武器装备和现代化战争的发展，着眼增强合训类学员培养的针对性、实效性和指向性，努力提高合训类毕业设计的军事应用特色是学校始终追求的目标。在 AR.Drone四轴飞行器的基础上，我们围绕无人飞行器控制软件革新开展了合训类本科毕业设计的探索和实践，并具体在毕业设计的整个环节采取了一系列措施，取得了较好的效果。下一步我们将结合前期经验和存在的不足，从选题、指导等方面加强对关于新型武器装备的合训本科毕业设计的研究和改革。

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参考文献：

[1] 陆静. 提高高校毕业设计质量途径的探索[J]. 大学教育, 2014(1): 37-39.

[2] 杨帆. 本科毕业设计教学模式创新研究[J]. 计算机教育, 2010(7): 74-77.

[3] 吴石林, 范大鹏, 王兴波. 基础合训毕业设计组织实施模式及规范化探讨[J]. 高等教育研究学报, 2003, 26(3): 38-40.

[4] 单庆晓, 唐莺, 李季, 等. 基础合训类学员毕业设计现状分析及指导对策[J]. 高等教育研究学报, 2008, 32(2): 12-14.

[5] 占荣辉, 鲁敏. 基础合训本科毕业设计教学改革与实践[J]. 高教论坛, 2011(2): 63-65.

[6] 赵云, 龚昌超, 田章福, 等. 合训学员完成新型武器类毕业设计的组织实施与探索[J]. 大学教育, 2014(1): 39-42.

（编辑：孙怡铭）