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实验室或功能区 模板-无人机系统开发实验室 - 方案文档

模板-无人机系统开发实验室

无人机系统开发实验室支持飞行原理、导航控制等理论课程的配套实践,还提供行业应用模拟实训,让学生在真实环境中进行无人机操作,增强其实战经验;同时还承担无人机行业解决方案设计与产品优化的教学任务,培养学生的创新思维、软硬件开发能力和项目管理能力。

主要功能
本实验室主要为开放性实验,无固定的实验方法,旨在锻炼学生的学习能力和创造能力,部分实验可供学有余力的同学选择性完成。
无人机系统开发
无人机往往不能做到在任何行业通用,学生可结合实际需求对无人机结构进行改装或者进行改进开发,完善无人机功能以满足场景应用,通过系统性的开发,能够培养学生工程化实践能力。
无人机地面站系统开发
无人机地面站是无人机重要的组成部分,学生可以学习地面站软件的基本实现方法,可结合开源地面站开发适合一定特殊需求的地面站软件,能够培养学生的软件开发能力与资源整合能力。
无人机动力匹配测试
通过无人机动力测试实验平台无人机可进行螺旋桨、电机的匹配度测试等功能。
嵌入式系统与自动控制开发
通过嵌入式及无人机案例实验箱,可实现嵌入式系统课程、嵌入式传感器、自动控制、无人机飞控开发等方向的实验教学。
无人机传感器系统开发
无人机等任何智能设备都离不开传感器技术,学生需要了解各类传感器的工作原理和特征并结合理论知识完成传感器系统软硬件开发,并将相关传感器与无人机结合以实现更多功能,能够培养学生的综合开发能力。
惯性导航系统开发
惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统,可用于无卫星定位时的持续导航定位。学生可以通过学习相关技术原理,并开发符合实际需求的软硬件系统并与无人机进行结合,培养学生的软硬件开发能力。
锂电池管理系统开发
锂电池作为无人机重要的配套组件,学习其相关理论知识和管理系统的原理十分重要,学生能够在掌握锂电池原理的前提下,开发电池管理相关软硬件和配套产品,培养学生在行业应用开发能力。
航拍航测专项学习与训练
学生通过航拍航测专项训练能够掌握航拍航测无人机相关基本操作要领和拍摄手法,并掌握基本的图像和视频后期处理方法,能够制作具有一定水平的图片和视频作品。
无人机与机械爪
能够提供无人机和机械爪开发平台,可根据需求实现对应的功能,还可以满足一系列竞赛的要求。
主要实验装备
无人机动力系统测试实训平台

无人机动力系统测试实训平台是一款专业化的智能检测系统,集成高精度传感器阵列与模块化设计,可同步采集拉力、扭矩、转速、电压电流等数据,通过闭环控制系统实现电机效率、桨力效率的实时分析。平台配备双冗余应急保护机制,包括物理急停按钮与软件过载保护,确保测试安全。核心功能涵盖螺旋桨气动性能验证、电机KV值匹配度测试、动力系统能耗优化,支持定桨距/变桨距多场景模拟,为无人机研发提供从单机部件到整机动力链的全流程测试解决方案。

嵌入式及无人机案例实验箱

嵌入式及无人机案例实验箱不仅可以满足传统的嵌入式及STM32相关课程的教学实验需求,还为课程设计提供了丰富的无人机飞控工程案例化实验。

该实验箱由四大部分组成,分别为STM32嵌入式实验板卡、平面对轴平衡调试平台、遥控控制器及配件、四轴飞行器。

通过嵌入式及无人机案例实验箱,可实现嵌入式系统课程、嵌入式传感器、自动控制、无人机飞控开发等方向的实验教学。嵌入式实验板卡的处理器采用STM32F407,可以实现丰富的嵌入式硬件外设实验,还可与平面对轴平衡调试平台配合完成对轴控制实验,实现无人机的飞控开发入门学习。


无人机传感器技术开发实训平台

无人机通常采用多种传感器,通过数据融合技术将来自不同传感器的数据整合成更准确的信息。传感器之间的协同工作可以实现无人机的高度自主飞行和复杂任务执行。无人机传感器技术开发实训平台提供多种传感器模块,主要包括惯性导航传感器模块、红外传感器、温湿度传感器、火焰传感器等。传感器模块套件配合单板计算机,实现各种传感器原理、应用、上位机软件编写等实验。

无人机GNSS INS惯性组合导航开发模块可用于学习无人机惯性导航。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量载体在惯性参考系的加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

无人机BMS锂电池管理系统教学实验系统

HT-Battery-EDU可实现对3至5节锂电池电压、电流、温度、SOC的测量,通过上位机软件、蓝牙、串口显示屏显示结果,实现过压,欠压,过流,短路保护,支持芯片内部被动均衡。提供原理图,源码,上位机,支持学生二次开发。

多旋翼航拍教学无人机开发平台

本平台专为院校无人机航拍与开发教学打造,采用碳纤维可折叠四旋翼机身,内置GPS高精度定位模块,兼顾便携与稳定性。搭载STM32全开源飞控(C++编写,支持二次开发),通过配套地面站可完成PID调参、传感器校准、航线规划等实训。配备三轴云台4K相机(1/1.7英寸索尼CMOS,320°航向轴)及高通八核图传遥控器(5.5英寸1080P高亮屏,15km双路数字图传),支持超高清航拍与第一视角任务飞行。提供纸质实训手册、飞控开发教程及11节视频课程,覆盖地面站操作、代码编译等环节,是飞行控制与航拍应用一体化教学的理想平台。

教学无人机机械抓取平台

HT500Z是面向教学与竞赛的机械抓取无人机实训平台,配备可拆卸机械爪模块,支持物品抓取、运输及定点投放功能。

系统内置航线规划与基础避障能力,可满足物流运输课程实训需求,也可用于无人机相关竞赛。平台采用模块化设计,支持二次开发,便于与教学体系对接。

实验室设备清单
序号 设备名称 单位 数量 设备品牌 设备型号
1 无人机动力系统测试实训平台 5 中航恒拓 DT100
2 嵌入式及无人机案例实验箱 20 中航恒拓 STM32 Drone ARM
3 无人机传感器技术开发实训平台 20 中航恒拓 HT-Sensors-EDU
4 无人机BMS锂电池管理系统教学实验系统 20 中航恒拓 HT-Battery-EDU
5 多旋翼航拍教学无人机开发平台 2 中航恒拓 HT500HP
6 教学无人机机械抓取平台 2 中航恒拓 HT500Z
主要课程与实验
无人机地面站系统开发
了解无人机地面站软件原理和基本技术逻辑并完成地面站软件开发。
■ 实验1:通过串口接收无人机回传的数据
■ 实验2:通过串口向无人机发送数据
■ 实验3:开发简易地面站显示无人机状态数据
■ 实验4:开发简易地面站修改无人机飞行模式
■ 实验5:开发具有一定功能的无人机地面站
■ 实验6:Mission Planner地面站二次开发
嵌入式系统及飞行控制系统原理与开发
基于ARM Cortex嵌入式系统,开发多旋翼无人机飞控系统。综合应用控制和传感器相关知识,在课程组提供的嵌入式系统开发板上,开发传感器采集模块、传感器数据融合和滤波模块、内环控制模块、外环控制模块、通信模块等,并将诸模块进行整合,形成一套完整的多旋翼无人机飞行控制系统。能够满足从单片机入门至传感器数据采集再到PID等全套实验需求。
STM32相关基础实验
■ 实验1:GPIO实验,点亮流水灯
■ 实验2:按键操作实验
■ 实验3:定时器与外部中断实验,实现LED定时闪烁与呼吸灯
■ 实验4:串口收发实验
■ 实验5:呼吸灯实验
■ 实验6:蜂呜实验
■ 实验7:电机驱动及空心杯电机实验
■ 实验8:TFT LCD实验
■ 实验9:ADC采样实验,并获取电池电压
■ 实验10:DAC输出正弦波实验
■ 实验11:WIFI实验
■ 实验12:MS5611实验
■ 实验13:SD卡实验,将SD卡中图片显示在TFT LCD
■ 实验14:SPI读取IMU数据实验
■ 实验15:IIC读取气压计 MS5611 数据
■ 实验16:PPM实验,遥控器定时器输入捕获
■ 实验17:PWM实验,通过外设输出PWM波控制蜂鸣器的音调
■ 实验18:磁力计数据获取实验
■ 实验19:陀螺仪积分获取角度
■ 实验20:传感器低通滤波实验
■ 实验21:加速度计3轴分解实验
■ 实验22:音频输出播放实验
■ 实验23:麦克风音频输入及信号处理输出实验
■ 实验24:ucos Mahony滤波实验
■ 实验25:ucos led实验
飞行控制系统相关实验
■ 实验1:陀螺仪实验,掌握陀螺仪数据及原理,获取角速度数据并计算角度。
■ 实验2:加速度实验,掌握加速度计原理,获取加速度数据并计算角度。
■ 实验3:磁力计实验,掌握磁力计原理,获取磁力计数据并计算角度。
■ 实验4:传感器校准实验,了解传感器误差来源,掌握传感器校准方法和软件实现。
■ 实验5:传感器低通滤波实验,掌握巴特沃斯低通滤波器设计,实现滤波器调参。
■ 实验6:姿态解析实验,了解无人机姿态表示方法,掌握 Mahony 滤波算法。
■ 实验7 DCM 方向余弦矩阵实验,了解方向预选矩阵,对 DCM 进行应用,获取运动加速度数据。
■ 实验8:无人机控制系统建模及实现。
■ 实验9:无人机对轴平衡调试试验。
■ 实验10:无人机定高飞行实验。
■ 实验11:无人机遥控飞行实验。
无人机传感器原理相关开发
常用传感器数据读取和应用。
■ 实验1:红外避障碍传感器数据采集与展示
■ 实验2:霍尔传感器数据采集与展示
■ 实验3:温度湿度传感器数据采集与展示
■ 实验4:火焰传感器数据采集与展示
■ 实验5:上位机软件开发
惯性导航原理与相关开发
了解惯性导航相关原理并开发上位机软件。
■ 实验1:获取IMU数据
■ 实验2:获取卫星定位数据
■ 实验3:IMU与卫星定位数据融合
■ 实验4:在地图中记录轨迹
■ 实验5:GPS与Move_Base导航
■ 实验6:上位机软件开发
锂电池管理系统开发
了解锂电池相关技术,包括电池材料、成组方式,容量及充放电倍率等基本概念与工作原理,并开发电池管理系统软件。
■ 实验1:锂电池状态判断
■ 实验2:如何选择恰当的电池充电方式
■ 实验3:如何选择恰当的电池保管方式
■ 实验4:锂电池健康状态预测和应对
■ 实验5:搭建锂电池管理系统软硬件平台
■ 实验6:锂电池紧急情况处理
无人机航拍及图像处理
了解掌握航拍无人机构造与原理,实现操作无人机进行航拍,熟悉航拍运镜和图像、视频处理。
■ 实验1:航拍运镜实践
■ 实验2:图片处理与调色实践
■ 实验3:视频调色实践
■ 实验4:视频剪辑实践
■ 实验5:人物追踪及跟拍实践
■ 实验6:航拍综合实战
■ 实验7:紧急情况下航拍无人机的操控
配套课程资源
嵌入式系统及无人机飞控开发
视频教程,主要包括BirdFlight软件系统初始化详解、四旋翼全模型控制原理详解、无人机位置控制、无人机视觉识别与位置控制教学、飞控工程之系统初始化流程、空心杯无人机安装开箱视频、空心杯无人机调试。
配套共包括28个实验教学实验指导书。
无人机传感器系统开发
各类传感器技术资料、开发指导以及例程。
无人机惯性导航开发
惯性导航系统开发手册、基本例程、相关资料文档、测试用上位机软件。
无人机航拍
航拍无人机使用说明、开发教程、配套软件、教学视频、竞赛指导等。
无人机算法入门课程
包括无人机算法、无人机与深度学习视频教程,主要包括零基础入门四旋翼建模与控制等。
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