实验题目：四轴飞行器的设计与实现

1. 课程简要信息

课程名称：电子设计实训
课程学时：80 学时
适用专业：电子、通信、计算机
学生年级：大二

2. 实验内容与任务（限 500 字）

基础要求

（1） 设计制作四轴飞行器，包括飞行器模块和遥控器模块
（2） 遥控器模块包括两个摇杆和两个按键，摇杆 1 控制横滚角和俯仰角，摇杆 2控制油门和航向
（3） 用两个摇杆控制飞行器起飞、降落、直飞、悬停、左右转弯
（4） 按下按键 1，飞行器自动起飞，到达指定高度后，自动降落
（5） 坠机保护，当飞行器意外坠毁时，自动关闭电机
（6） 自我总结及学生互评

进阶要求

（1） 自主飞行。按下按键2，飞行器从A区域（直径1.2m的圆）起飞，越过高1m的横杆，自动降落在B区域（直径1.2m的圆，与A区域相距3米）
（2） 穿越障碍。通过遥控器控制飞行器从 A 区域起飞，连续穿过两个旋转中的圆环（直径 1 米，一快一慢）后，再绕过一根直立的杆，最后飞回来并降落在 A区域

3. 实验过程及要求（限 300 字）

（1） 学习飞行器的基础知识，包括飞行器的发展历史、组成结构和姿态控制原理等学习遥控器的基本原理，包括遥控器的结构和控制原理等学习PCB板的设计规则和方法设计遥控器模块的 PCB 板焊接飞控模块和遥控器模块的 PCB 板 ，提高学生的动手能力
（6）（7） PCB板的功能测试和问题排查，掌握基本的电路问题排查方法组装飞行器模块和遥控器模块
（8） 编写飞行器起飞、降落、悬停和姿态控制的相关代码，并下载到遥控器模块，实现对飞行器的控制
（9） 飞行测试，发现问题，认真查找原因，掌握基本的代码调试方法

4. 相关知识及背景（限 150 字）

该案例培养学生综合利用所学知识解决现实生活和工程实际问题的方法，并从中体会一个工程项目的设计、测试和完善的全过程。需要综合运用数字电路、模拟电路和单片机等相关知识，并掌握 PCB 设计的规则和方法、电路的测试与问题排查方法、单片机

程序的编写、调试和烧录。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

在较为完整的工程项目实现过程中引导学生掌握电子系统的设计规则和调试方法，体会如何根据工程需要设计并实现技术方案；引导学生根据设计目标和现有条件设计电路、选择元器件、编写相关代码，并掌握电路测试和代码调试的基本方法；通过学生互评和比赛，了解自己作品的优劣。

6. 教学设计与引导

本实验是一个比较完整的工程实践过程，学生需要经历原理调研、方案选择与可行性分析、设计制作 PCB 板，软件编写、测试与优化以及总结反思等过程，学有余力的同学还可以在网上查找相关资料，进一步扩展功能。在实验教学中，应在以下几个方面对学生加强引导：

（1）学习四轴飞行器相关知识。由于学生们对四轴飞行器的组成结构和基本原理了解较少，因此，在实验开始阶段，需要引导学生掌握四轴飞行器的姿态测量、姿态控制、电机、无线通信模块、摇杆控制等方面的相关知识。

（2）学习 PCB 设计方法。PCB 设计在考虑到用户体验的前提下，还需要清楚合理设计可以改善 PCB 性能，提高 PCB 的稳定性；设计中学生需要在满足设计要求、合理的设计规则和良好的用户体验中不断均衡和改善。

（3）由于工艺制作的各环节需要学生亲自完成，因此该环境受人为因素影响较大，所以需要学生在设计中要充分考虑设计的合理性，比如走线的顺序等。

（4）掌握基本的电路调试工具和方法。引导学生使用万用表、电压源等基本工具测试电路的关键测试点，发现问题，并及时纠正。

（5）编写并烧录程序。引导学生掌握编程框架，查找相关库函数，编写并烧录程序，并在程序编写过程中养成良好的习惯。

（6）在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、互评的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；在制作中，应注意学生各个环节是否到位；在调试中，要注意引导学生反思设计和制作的各环节知识，指导学生使用电路调试工具；在进阶中，要引导学生优化程序，增强可操作性。

7. 实验原理及方案

1）系统结构

图1 四轴飞行器及遥控器结构图

2）实现方案

图 2 实现方案图

本实验中，遥控器模块要求学生自行完成 PCB 板设计。学生围绕功能要求选择可行性方案，各模块的主要组成部分如图2所示。在论证方案可行性后设计PCB板，设计除了 PCB 板尺寸的要求外不做任何限制，学生可以自由发挥，在功能实现的前提下考虑用户体验和制作难易进行 PCB 板设计。CB 板设计。PCB 制作的环节受人为因素影响较大，PCB 制作的难度无疑对设计提出了更多要求，诸如减少过孔数量，避免杂乱无章的走线等，学生在实际制作中加深对设计知识点的理解。PCB 调试与功能测试部分可以让学生掌握电路调试以及问题排查工具和方法、理解电路中一些关键器件的作用以及加深理解设计和工艺制作中的知识点。

8. 教学实施进程

（1）预习自学：学生在实验之前可以先在网上查找无人机相关知识

（2）现场教学：首先，讲解无人机的相关知识点，包括无人机的组成、姿态获取、姿态控制、高度获取、高度控制、无线收发器、摇杆的结构与原理等；其次，讲解 PCB板设计、制作和调试的相关内容，包括软件使用、设计原则、调试工具、调试方法等；最后，讲解程序编写与烧写的相关内容，包括程序框架、库函数使用、编写的规则等。

（3）分组讨论：把学生分成 3 个人一组，讨论制定出本组的 PCB 设计方案（4）现场操作：分组完成 PCB 板制作、调试、组装和程序编写等（5）结果验收：分组演示基本功能和进阶功能（6）总结演讲：每个小组派出一名代表对本组在实验过程中的经验和教训做出总结（7）报告批改：老师按照要求批改实验报告，并给出评语

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验基本原理

2）实验方案选择、论证和分析

3）PCB 设计与参数设置

4）PCB工艺制作

5）电路焊接与调试

6）飞行器组装

7）程序框架与各模块简介

8）功能实现情况

9）总结与体会

10.考核要求与方法（限 300 字）

1）实物验收：功能与性能指标的完成程度、完成时间。
2）实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺；飞行器控制的灵敏度、可靠性
3）自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4）比赛情况：要求学生操作飞行器完成进阶要求中的项目，比赛是否完成、完成时间等。
5）实验成本：是否充分利用实验室已有条件，是否考虑成本。
6）实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目的特色与创新在于：

（1） 项目具有体验性和对抗性，提高学生的学习乐趣
（2） 项目紧跟当前的热点应用，吸引学生注意力同时也为学生深入该领域传授基础的知识

（3） 培养学生综合应用软硬件知识的能力

（4） 项目具有工程背景，具有实用价值

实验案例信息表