摘要：针对无人机任务规划课程教学实际，梳理相关概念与内涵，分析其在无人机专业本科学员知识体系中的作用与地位，根据任务规划人才培养的能力需求提出课程的建设思路，并着重强调该方向人才培养所需要的动手能力，对教学实践环节进行详细设计，构建开放式任务规划教学框架和递进式试验内容。
关键词：无人机系统；任务规划；教学实践；课程设计
0引言
随着无人机在民用、军事领域的广泛应用，对无人机专业人才的需求也正在迅速增长。无人机专业人才需要具备无人机的飞行控制、载荷使用、任务规划、链路管理、维修保障等多方面的能力，任务规划是其中较为关键的一项能力，主要支撑无人机在飞行前的预先航线拟制和飞行中的实时航线调整，是无人机完成使命任务的关键[1]。因此，作为无人机专业的本科学员，任务规划能力是其必须具备的重要能力之一，所需要掌握的知识点覆盖地理信息、人工智能、最优化等多个领域。同时，由于无人机任务规划与其实际飞行联系较为紧密，还要求学员具有较强的实践动手能力。美军为捕食者等高端无人机开设了无人机飞行员本科专业，国内已有国防科技大学、空军工程大学等院校开设了相关专业，任务规划均为其课程体系的重要组成，笔者主要针对该课程构成与实践环节展开设计。
1无人机任务规划的内涵
1.1无人机任务规划的基本概念
无人机任务规划是无人机任务控制中的重要组成部分，其主要任务是针对无人机所要执行的任务，分析对任务有影响的自然、人为等环境要素，并结合无人机平台的速度、能耗等性能参数模型，在满足到达时间、载荷使用要求等任务约束条件下，为无人机生成一条或多条最优/较优任务的路径，以确保无人机顺利、高效地完成任务。根据所处的任务阶段的不同，无人机任务规划通常可分为两个阶段：飞行前预先任务规划（Pre-FlightMissionPlanning）和飞行中实时规划（Real-TimeIn-FlightPlanning）。飞行前预先任务规划是指在起飞前对无人机完成指定任务所要经历的航线、目标区域、载荷使用方式等内容的设定与统筹规划。预先规划系统通常配备在无人机地面控制站上，以任务要求为输入，以无人机任务计划为输出，为无人机操作员的任务准备过程提供工具支持，并可通过数据传输设备向无人机加载数据。飞行中实时规划是指依托智能算法在空中自主/半自主地完成对无人机任务计划的调整。飞行中实时规划系统通常会与机载航电系统相结合，以无人机实时状态、传感器信息等为输入，以在线调整后的计划为输出，为无人机在复杂、时变任务环境中完成任务提供保障。
1.2无人机任务规划的作用与地位
任务规划技术对无人机任务成功与否至关重要，一方面通过对任务过程要素的慎思与优化，可以用科学的方法生成最优任务计划，与传统靠手工拟制计划相比，具有速度快、精度高、效果好等多重优势；另一方面对于空中突发的恶劣气象、障碍、计划变更等意外事件，任务规划系统可迅速反应，生成有效应对策略，可避免很多由于人工控制反应不及时或处置不当带来的损失[2-3]。任务规划课程是无人机专业本科学员课程体系中十分重要的一个环节[4-6]，对上衔接无人机指挥控制相关课程，对下与无人机飞行控制、无人机任务载荷技术等课程直接关联；课程知识对于学生融会贯通无人机系统课程整体脉络有着核心枢纽的作用；课程实践成果为学员在课程试验框架基础上定制开发而成的无人机任务规划系统，可作为高效的航线生成工具，直接为无人机全系统全流程综合毕业设计服务。
2无人机任务规划课程教学总体设计
2.1教学目的与课程设计总体思路
本课程是无人机技术与保障岗位的首次任职专业必修课，注重岗位任职能力的培养，面向无人装备工程、无人作战工程等多个专业的本科大四学员开课。无人机任务规划岗位是无人机地面控制站内的关键岗位之一，应具备任务理解与分配、环境分析与评估、航线规划与载荷规划等任务能力，需要系统掌握无人机任务规划的基本原理和应用技术，并基于无人机任务规划系统进行任务作业。因此，针对无人机任务规划岗位能力需求，一方面，课程从无人机任务规划系统技术入手，讲授无人机任务规划流程环节中的关键技术（包括无人机任务规划数字地图技术、威胁空间建模技术、航线规划技术、任务载荷使用规划技术、实时任务重规划技术等内容），支撑无人机任务规划流程作业；通过课堂讲授，使学生熟悉无人机任务规划系统，理解无人机任务规划的作业流程，掌握无人机任务规划核心技术，构建起无人机任务规划的知识体系；另一方面，课程结合实际任务环境和任务目标，引入案例讲解、课堂讨论、课后作业和课内实践等教学环节，引导学生进行参与式学习；在课堂学习所构建的知识体系基础上，针对威胁空间分析与航线生成两大重点内容，开展地图读取与显示、参数设置与分析、算法实现与评估等课内实践内容；通过实践环节，学生熟悉任务规划流程和系统操作，并在系统中融入智能化算法，支撑任务规划效能的提升[7]。
2.2课程教学的主要内容
课堂教学主要包括3部分内容：一是总体部分，包括无人机任务规划绪论和无人机任务规划系统技术，主要讲授无人机任务规划的内涵特点、发展历程以及无人机任务规划系统的软硬件体系和业务流程；二是核心部分，包括数字地图技术、威胁空间建模技术和航线规划技术，结合具体无人机任务案例，针对无人机任务规划中的地图运用、威胁分析和航线生成等业务主线，讲授地图基础知识、数字地图知识、威胁类型、威胁建模、航线规划模型、航线规划算法等内容，并开展相应的实践环节夯实学习效果；三是拓展部分，包括无人机任务载荷使用规划和实时任务重规划，讲授载荷规划的基本概念、传感器使用规划、武器投放规划、意外事件识别、航线重规划算法等内容。整体课程体系设计如图1所示。
3无人机任务规划课程教学实践设计
3.1教学实践的意义
教学实践是无人机任务规划课程非常关键的环节，一方面，由于本课程的知识点较多，且覆盖了多个学科方向，学员在听完课程讲授后，往往只能形成基本理解，对于如何将知识点融会贯通、支撑完成一次具体的无人机任务规划过程缺乏具体认识；另一方面，本课程授课对象为大四学员，其中很大一部分学员在完成最后一年的学习后，会马上面临工作任务，这对学员的实际操作能力提出了较高的要求。为此，围绕课程讲授内容中的重难点，选取了雷达威胁分析与航线自动规划算法这两个关键且可牵引课程大部分知识点的内容，设计教学实践环节，达到强化学员理解认识，锻炼动手能力的目的[5]。
3.2基于开放式框架的课程实践方案
由于无人机任务规划课程面向的学员已经具备了计算机程序开发的基本能力，并且在课程教学中也掌握了任务规划算法的基本原理，但要在十分有限的课程实践时间内完成具备全回路功能的无人机任务规划系统开发仍有较大困难。为此，需要设计一个开放式的任务规划系统框架，以支持学员聚焦重点、由浅入深逐步探索，并以此为基础对课程实践方案进行设计。
3.2.1开放式任务规划教学框架设计
对于一个无人机任务规划系统，其必须具备支持“任务输入→问题建模→问题求解→计划输出”，其中涉及体系架构设计、人机交互、地理信息处理等大量的开发工作，为提高学员课程实践效率，课程基于开源代码，设计了开放式的教学框架，将非核心功能封装成独立模块，并在框架中提供了基本的示例型代码，一方面可以减少学员的开发工作量，另一方面也可以让开发经验较少的学员参考示例代码快速上手。开放式任务规划教学框架基于Windows和VisualStudio开发平台，采用经典Win32窗口程序架构，包含基本的主入口函数和消息循环处理函数，便于学生快速理解掌握，基本构成如图2所示。在此基础上，基于开源LibTIFF库，为学生编写好GeoTiff地形数据读取接口代码和基本的渲染显示代码，由学生在此基础上增加开发坡向计算、分高度层着色等代码，并提供了鼠标左右键点击、鼠标移动等基本操作代码，由学生在此基础上增加开发规划航线起点、终点、拖放等代码。
3.2.2递进式任务规划教学实践环节设计
在开放式任务规划教学框架基础上，为帮助学员掌握课程教学中的威胁空间分析与航线生成两大教学重点内容，通过设计雷达地形遮蔽算法开发与航线自动规划算法开发实践环节，引导学员在动手过程中对课程内容形成更为深入和具象的认识。
（1）雷达地形遮蔽算法开发实践环节。首先，指导学员利用框架中的地理高程数据读取接口，获取任务区域的地形起伏，并通过图形渲染接口在框架中进行可视化展示；其次，指导学员利用开放式教学框架中的人机交互接口，设计雷达架设位置、任务区域包络的输入定义方法；最后，重点引导学员按课程教学中的极坐标射线扫描算法流程，“填空式”地逐步完成核心代码的编写设计。以上步骤作为课程实践的基本任务，要求全部学员必须完成。在此基础上，本环节还设计了一个附加模块：由学员自行设计手工交互式航线编辑方法，并对穿越雷达探测范围的航线部分进行分析和上色渲染，作为对有算法设计开发专长、学有余力的学员的补充强化。整个环节流程如图3所示。
（2）航线自动规划算法开发实践环节。首先，指导学员基于第一个实践环节中获取的高程数据和雷达探测计算结果，分析无人机可安全飞行的区域范围，并通过交互设置航线规划起点终点；其次，指导学员阅读理解开放式框架中自带的广度优先航线生成算法的示例代码；最后，由学员根据课程教学中的基于RRT的航线自动规划算法内容，设计完成整个算法模块。本环节针对自动规划算法所生成航线存在航路点数量、航线转折过多的问题设图2开放式任务规划教学框架结构计了2个附加模块：附加题1，由学员设计基于初步航线的裁剪算法，剔除对飞行安全没有作用的冗余节点；附加题2，由学员设计航线平滑处理方法，以生成更能满足无人机动力学约束的、可飞性更好的无人机任务航线。针对这2个附加模块，教师主要引导课程掌握较好的学员完成，并安排其走上讲台向其他学员进行展示汇报，以达到加深实践力度的目的。整个环节流程如图4所示。国防科技大学自2014年试办无人机工程专业，无人机任务规划课程于2016年正式开设[6]，至今已经完成了多批本科学员的培养，根据学员试验情况来看，约90%学员可完成实践环节中的基本内容，约有10%左右的学员可完成全部的实践科目。从教学情况可以看出，课程设计既考虑到受众的“面”，又考虑到了拔尖学员的“点”，达到了比较好的教学效果。通过课后调查问卷反馈，学生对课程实践的评价普遍较好。
4结语
随着无人机在军用、民用领域的广泛普及，无人机任务规划已成为无人机相关专业本科学员需要掌握的基本能力之一。由于任务规划涉及计算机科学、控制科学等多个学科交叉，并包含有大量的工程实践知识，为此需要优化设计教学与实践内容，让学员在有限的课程时间内掌握核心知识点、具备动手实现的经验，并培养其创新研究的能力。经过几年的教学实践，大部分学员反馈课程教学效果良好，很多学员在后续的工作或攻读研究生过程中，还基于课程所讲授的知识和实践软件框架开展了更加深入的研究。下一步，笔者将针对无人机集群使用、有人—无人协同使用等新型任务模式，不断迭代优化课程内容，为无人机人才培养提供有力支撑。
作者：相晓嘉 周晗 牛轶峰 王菖 单位：国防科技大学智能科学学院
