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摘要：針對無人機任務規劃課程教學實際，梳理相關概念與內涵，分析其在無人機專業本科學員知識體系中的作用與地位，根據任務規劃人才培養的能力需求提出課程的建設思路，并著重強調該方向人才培養所需要的動手能力，對教學實踐環節進行詳細設計，構建開放式任務規劃教學框架和遞進式試驗內容。
關鍵詞：無人機系統；任務規劃；教學實踐；課程設計
0引言
隨著無人機在民用、軍事領域的廣泛應用，對無人機專業人才的需求也正在迅速增長。無人機專業人才需要具備無人機的飛行控制、載荷使用、任務規劃、鏈路管理、維修保障等多方面的能力，任務規劃是其中較為關鍵的一項能力，主要支撐無人機在飛行前的預先航線擬制和飛行中的實時航線調整，是無人機完成使命任務的關鍵[1]。因此，作為無人機專業的本科學員，任務規劃能力是其必須具備的重要能力之一，所需要掌握的知識點覆蓋地理信息、人工智能、最優化等多個領域。同時，由于無人機任務規劃與其實際飛行聯系較為緊密，還要求學員具有較強的實踐動手能力。美軍為捕食者等高端無人機開設了無人機飛行員本科專業，國內已有國防科技大學、空軍工程大學等院校開設了相關專業，任務規劃均為其課程體系的重要組成，筆者主要針對該課程構成與實踐環節展開設計。
1無人機任務規劃的內涵
1.1無人機任務規劃的基本概念
無人機任務規劃是無人機任務控制中的重要組成部分，其主要任務是針對無人機所要執行的任務，分析對任務有影響的自然、人為等環境要素，并結合無人機平臺的速度、能耗等性能參數模型，在滿足到達時間、載荷使用要求等任務約束條件下，為無人機生成一條或多條最優/較優任務的路徑，以確保無人機順利、高效地完成任務。根據所處的任務階段的不同，無人機任務規劃通?？煞譃閮蓚€階段：飛行前預先任務規劃（Pre-FlightMissionPlanning）和飛行中實時規劃（Real-TimeIn-FlightPlanning）。飛行前預先任務規劃是指在起飛前對無人機完成指定任務所要經歷的航線、目標區域、載荷使用方式等內容的設定與統籌規劃。預先規劃系統通常配備在無人機地面控制站上，以任務要求為輸入，以無人機任務計劃為輸出，為無人機操作員的任務準備過程提供工具支持，并可通過數據傳輸設備向無人機加載數據。飛行中實時規劃是指依托智能算法在空中自主/半自主地完成對無人機任務計劃的調整。飛行中實時規劃系統通常會與機載航電系統相結合，以無人機實時狀態、傳感器信息等為輸入，以在線調整后的計劃為輸出，為無人機在復雜、時變任務環境中完成任務提供保障。
1.2無人機任務規劃的作用與地位
任務規劃技術對無人機任務成功與否至關重要，一方面通過對任務過程要素的慎思與優化，可以用科學的方法生成最優任務計劃，與傳統靠手工擬制計劃相比，具有速度快、精度高、效果好等多重優勢；另一方面對于空中突發的惡劣氣象、障礙、計劃變更等意外事件，任務規劃系統可迅速反應，生成有效應對策略，可避免很多由于人工控制反應不及時或處置不當帶來的損失[2-3]。任務規劃課程是無人機專業本科學員課程體系中十分重要的一個環節[4-6]，對上銜接無人機指揮控制相關課程，對下與無人機飛行控制、無人機任務載荷技術等課程直接關聯；課程知識對于學生融會貫通無人機系統課程整體脈絡有著核心樞紐的作用；課程實踐成果為學員在課程試驗框架基礎上定制開發而成的無人機任務規劃系統，可作為高效的航線生成工具，直接為無人機全系統全流程綜合畢業設計服務。
2無人機任務規劃課程教學總體設計
2.1教學目的與課程設計總體思路
本課程是無人機技術與保障崗位的首次任職專業必修課，注重崗位任職能力的培養，面向無人裝備工程、無人作戰工程等多個專業的本科大四學員開課。無人機任務規劃崗位是無人機地面控制站內的關鍵崗位之一，應具備任務理解與分配、環境分析與評估、航線規劃與載荷規劃等任務能力，需要系統掌握無人機任務規劃的基本原理和應用技術，并基于無人機任務規劃系統進行任務作業。因此，針對無人機任務規劃崗位能力需求，一方面，課程從無人機任務規劃系統技術入手，講授無人機任務規劃流程環節中的關鍵技術（包括無人機任務規劃數字地圖技術、威脅空間建模技術、航線規劃技術、任務載荷使用規劃技術、實時任務重規劃技術等內容），支撐無人機任務規劃流程作業；通過課堂講授，使學生熟悉無人機任務規劃系統，理解無人機任務規劃的作業流程，掌握無人機任務規劃核心技術，構建起無人機任務規劃的知識體系；另一方面，課程結合實際任務環境和任務目標，引入案例講解、課堂討論、課后作業和課內實踐等教學環節，引導學生進行參與式學習；在課堂學習所構建的知識體系基礎上，針對威脅空間分析與航線生成兩大重點內容，開展地圖讀取與顯示、參數設置與分析、算法實現與評估等課內實踐內容；通過實踐環節，學生熟悉任務規劃流程和系統操作，并在系統中融入智能化算法，支撐任務規劃效能的提升[7]。
2.2課程教學的主要內容
課堂教學主要包括3部分內容：一是總體部分，包括無人機任務規劃緒論和無人機任務規劃系統技術，主要講授無人機任務規劃的內涵特點、發展歷程以及無人機任務規劃系統的軟硬件體系和業務流程；二是核心部分，包括數字地圖技術、威脅空間建模技術和航線規劃技術，結合具體無人機任務案例，針對無人機任務規劃中的地圖運用、威脅分析和航線生成等業務主線，講授地圖基礎知識、數字地圖知識、威脅類型、威脅建模、航線規劃模型、航線規劃算法等內容，并開展相應的實踐環節夯實學習效果；三是拓展部分，包括無人機任務載荷使用規劃和實時任務重規劃，講授載荷規劃的基本概念、傳感器使用規劃、武器投放規劃、意外事件識別、航線重規劃算法等內容。整體課程體系設計如圖1所示。
3無人機任務規劃課程教學實踐設計
3.1教學實踐的意義
教學實踐是無人機任務規劃課程非常關鍵的環節，一方面，由于本課程的知識點較多，且覆蓋了多個學科方向，學員在聽完課程講授后，往往只能形成基本理解，對于如何將知識點融會貫通、支撐完成一次具體的無人機任務規劃過程缺乏具體認識；另一方面，本課程授課對象為大四學員，其中很大一部分學員在完成最后一年的學習后，會馬上面臨工作任務，這對學員的實際操作能力提出了較高的要求。為此，圍繞課程講授內容中的重難點，選取了雷達威脅分析與航線自動規劃算法這兩個關鍵且可牽引課程大部分知識點的內容，設計教學實踐環節，達到強化學員理解認識，鍛煉動手能力的目的[5]。
3.2基于開放式框架的課程實踐方案
由于無人機任務規劃課程面向的學員已經具備了計算機程序開發的基本能力，并且在課程教學中也掌握了任務規劃算法的基本原理，但要在十分有限的課程實踐時間內完成具備全回路功能的無人機任務規劃系統開發仍有較大困難。為此，需要設計一個開放式的任務規劃系統框架，以支持學員聚焦重點、由淺入深逐步探索，并以此為基礎對課程實踐方案進行設計。
3.2.1開放式任務規劃教學框架設計
對于一個無人機任務規劃系統，其必須具備支持“任務輸入→問題建模→問題求解→計劃輸出”，其中涉及體系架構設計、人機交互、地理信息處理等大量的開發工作，為提高學員課程實踐效率，課程基于開源代碼，設計了開放式的教學框架，將非核心功能封裝成獨立模塊，并在框架中提供了基本的示例型代碼，一方面可以減少學員的開發工作量，另一方面也可以讓開發經驗較少的學員參考示例代碼快速上手。開放式任務規劃教學框架基于Windows和VisualStudio開發平臺，采用經典Win32窗口程序架構，包含基本的主入口函數和消息循環處理函數，便于學生快速理解掌握，基本構成如圖2所示。在此基礎上，基于開源LibTIFF庫，為學生編寫好GeoTiff地形數據讀取接口代碼和基本的渲染顯示代碼，由學生在此基礎上增加開發坡向計算、分高度層著色等代碼，并提供了鼠標左右鍵點擊、鼠標移動等基本操作代碼，由學生在此基礎上增加開發規劃航線起點、終點、拖放等代碼。
3.2.2遞進式任務規劃教學實踐環節設計
在開放式任務規劃教學框架基礎上，為幫助學員掌握課程教學中的威脅空間分析與航線生成兩大教學重點內容，通過設計雷達地形遮蔽算法開發與航線自動規劃算法開發實踐環節，引導學員在動手過程中對課程內容形成更為深入和具象的認識。
（1）雷達地形遮蔽算法開發實踐環節。首先，指導學員利用框架中的地理高程數據讀取接口，獲取任務區域的地形起伏，并通過圖形渲染接口在框架中進行可視化展示；其次，指導學員利用開放式教學框架中的人機交互接口，設計雷達架設位置、任務區域包絡的輸入定義方法；最后，重點引導學員按課程教學中的極坐標射線掃描算法流程，“填空式”地逐步完成核心代碼的編寫設計。以上步驟作為課程實踐的基本任務，要求全部學員必須完成。在此基礎上，本環節還設計了一個附加模塊：由學員自行設計手工交互式航線編輯方法，并對穿越雷達探測范圍的航線部分進行分析和上色渲染，作為對有算法設計開發專長、學有余力的學員的補充強化。整個環節流程如圖3所示。
（2）航線自動規劃算法開發實踐環節。首先，指導學員基于第一個實踐環節中獲取的高程數據和雷達探測計算結果，分析無人機可安全飛行的區域范圍，并通過交互設置航線規劃起點終點；其次，指導學員閱讀理解開放式框架中自帶的廣度優先航線生成算法的示例代碼；最后，由學員根據課程教學中的基于RRT的航線自動規劃算法內容，設計完成整個算法模塊。本環節針對自動規劃算法所生成航線存在航路點數量、航線轉折過多的問題設圖2開放式任務規劃教學框架結構計了2個附加模塊：附加題1，由學員設計基于初步航線的裁剪算法，剔除對飛行安全沒有作用的冗余節點；附加題2，由學員設計航線平滑處理方法，以生成更能滿足無人機動力學約束的、可飛性更好的無人機任務航線。針對這2個附加模塊，教師主要引導課程掌握較好的學員完成，并安排其走上講臺向其他學員進行展示匯報，以達到加深實踐力度的目的。整個環節流程如圖4所示。國防科技大學自2014年試辦無人機工程專業，無人機任務規劃課程于2016年正式開設[6]，至今已經完成了多批本科學員的培養，根據學員試驗情況來看，約90%學員可完成實踐環節中的基本內容，約有10%左右的學員可完成全部的實踐科目。從教學情況可以看出，課程設計既考慮到受眾的“面”，又考慮到了拔尖學員的“點”，達到了比較好的教學效果。通過課后調查問卷反饋，學生對課程實踐的評價普遍較好。
4結語
隨著無人機在軍用、民用領域的廣泛普及，無人機任務規劃已成為無人機相關專業本科學員需要掌握的基本能力之一。由于任務規劃涉及計算機科學、控制科學等多個學科交叉，并包含有大量的工程實踐知識，為此需要優化設計教學與實踐內容，讓學員在有限的課程時間內掌握核心知識點、具備動手實現的經驗，并培養其創新研究的能力。經過幾年的教學實踐，大部分學員反饋課程教學效果良好，很多學員在后續的工作或攻讀研究生過程中，還基于課程所講授的知識和實踐軟件框架開展了更加深入的研究。下一步，筆者將針對無人機集群使用、有人—無人協同使用等新型任務模式，不斷迭代優化課程內容，為無人機人才培養提供有力支撐。
作者：相曉嘉 周晗 牛軼峰 王菖 單位：國防科技大學智能科學學院
