实验室或功能区
无人机蜂群设计研发基地 - 方案文档
无人机蜂群设计研发基地
“人工智能+”(Artificial Intelligence Plus,AI+)是指将人工智能技术与各行各业深度融合,推动产业转型升级和创新发展的一种理念与实践。它不仅是将人工智能应用于某一特定领域,而是通过技术的集成与创新,实现对传统行业的全面赋能与重构。机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支,用机器代替人眼来做测量和判断,通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,得到被摄目标的形态信息,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
同时,随着自主协同技术的突破,无人机蜂群正从实验室概念演变为颠覆战争规则的“新锐力量”。它既是对未来“无人化、智能化”战争形态的预演,也是大国博弈中低成本战略威慑的具象化载体,通过数百架廉价无人机的高效协同,既能执行侦察、打击、电磁压制等复合任务,又可消耗敌方昂贵的防空资源。无人机蜂群作为一种新兴的集群智能系统,正逐渐改变着多个领域的运作模式。它由大量低成本、小型化的无人机组成,通过协同合作完成复杂任务,具有极高的灵活性和适应性,展现出巨大的发展潜力和应用价值。
主要功能
该实训室可围绕 “AI+” 理念,开展机器视觉技术相关教学与实践,实现从图像采集、信号处理到特征抽取与设备控制的全流程操作;同时能模拟无人机蜂群的协同运作,探索其在任务执行、智能协同等方面的技术应用,助力掌握 AI 技术与特定领域融合的核心能力。
无人机算法仿真
在计算机上模拟无人机在实际场景中的行为和传感器反应,提供机上各种传感器(如深度相机)数据,包括位置坐标、点云、深度图等,可在计算机中模拟无人机与人工智能算法,避免因程序设计不当造成无人机损坏或造成人员受伤。
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。
主要实验装备
无人机算法模拟仿真器
无人机作为空中机器人,在各行各业发挥了重要的作用,无人机的AI赋能和蜂群协同是近年来的研究热点。
高校实验室与科研领域是无人机控制算法与AI赋能的主要研究阵地。面对未来AI时代,控制算法与AI赋能的教学和研发方式被重新定义,行业亟需一种更快速、高效的无人机控制算法研发模式。
无人机模拟仿真器VISIM可帮助教学及科研工作者在第一时间对算法进行实践验证,提高教学和科研效率,模拟验证后再用真机测试,减少风险和炸机发生概率。
基于PX4_SITL和Gazebo的环境,提供位置、速度、加速度等控制方式,用户可以验证自己的飞控算法和外围控制算法。
自主飞行和路径规划方面,模拟器适配了Ego-Planner开源算法和一些基本的路径生成算法,方便用户实现轨迹生成算法及轨迹控制验证;

提供Ego-Planner-Swarm开源蜂群算法,用户也可在模拟器中开发/验证自己的集群/蜂群算法;
VSIM模拟仿真器也提供AI目标识别、跟踪算法和框架,方便用户实现无人机对目标的追踪等实验;

无人机通信原理教学实验系统
无人机通信原理教学实验系统是无人机实训室的核心教学平台,专注于揭示无人机天地通信的底层原理。系统集成图传、数传、遥控等真实通信链路,学生可通过频谱仪直观观测2.4GHz、5.8GHz、915MHz等频段的信号特征,进行信道测量、干扰分析、天线对比等实验。它彻底改变了“只飞不通”的传统教学模式,将教学深度从飞行操作延伸至通信数据链层面,旨在培养学生对无线通信系统的深刻理解、测量分析及故障排查能力,为未来从事无人机通信设计、调试与优化工作奠定坚实基础。
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。
无人机电池安全防爆柜
这款无人机电池安全防爆柜采用全钢四层结构,内部尺寸为长 510mm、宽 380mm、高 1500mm,可分层存放无人机电池。其核心功能是通过坚固的全钢材质和多层设计,为电池提供安全储存空间,有效隔离和防范电池可能发生的爆炸、起火等风险,保障电池存放过程中的安全性。
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 |
微型智能无人机蜂群开发平台 |
套 |
21 |
中航恒拓 |
OWL nano |
| 2 |
微型智能无人机蜂群开发平台备用耗材 |
套 |
21 |
中航恒拓 |
Libnano |
| 3 |
无人机蜂群控制平台 |
套 |
7 |
中航恒拓 |
V-PC |
| 4 |
无人机算法模拟仿真器 |
台 |
7 |
中航恒拓 |
VISIM |
| 5 |
无人机通信原理教学实验系统 |
台 |
21 |
中航恒拓 |
TX100 |
| 6 |
嵌入式及无人机案例实验箱 |
套 |
21 |
中航恒拓 |
STM32 Drone ARM |
| 7 |
无人机电池安全防爆柜 |
台 |
1 |
中航恒拓 |
FB150 |
| 8 |
计算机 |
台 |
14 |
主流品牌 |
主流型号 |
| 9 |
六边形桌椅组合 |
套 |
7 |
中航恒拓 |
LT-6 |
主要课程与实验
基于VISIM的飞行模拟
基于模拟器实现相关验证与开发。
■ 实验1 单台OWL无人机模拟
■ 实验2 多台OWL无人机模拟
■ 实验3 QGC控制单台OWL
■ 实验4 从命令行向单台OWL发送takeoff, landing, start, 和stoptask指令
■ 实验5 用rviz显示单台OWL传感器发出的数据
■ 实验6 OWL定点追踪移动物体
■ 实验7 路径规划:OWL简单路径规划,通过rviz设置目标位置
■ 实验8 路径规划:OWL使用ego_planner规划飞行路线,命令行与rviz结合控制
■ 实验9 用QGC和命令行控制多台OWL
■ 实验10 用rviz显示多台OWL传感器发出的数据
■ 实验11 通过rostopic向单台/多台OWL发布数据和命令
■ 实验12 OWL蜂群避障
实验教学内容要求
系统须配套详细的实验指导手册,支持完成至少以下8个核心实验:
实验一:系统启动与设备认知实验 – 掌握系统架构、通电流程及各模块功能。
实验二:5.8G图传系统通信实验 – 完成图传链路建立,观察实时图像传输效果。
实验三:915MHz数传通信实验 – 建立数传链路,通过地面站软件遥测飞行数据。
实验四:遥控器、舵机控制与PWM信号分析实验 – 操作遥控器控制舵机,并用示波器测量分析PWM信号波形。
实验五:5.8G图传信号频谱分析 – 使用频谱分析仪观测图传信号频谱特征、中心频率与带宽。
实验六:915MHz数传信号频谱分析 – 使用频谱分析仪观测数传信号频谱,对比其与图传信号的差异。
实验七:2.4G遥控信号频谱分析 – 捕捉并分析遥控器发射的2.4GHz信号频谱特性。
实验八:多信号干扰分析与频谱管理 – 模拟同频干扰场景,观察通信质量变化,理解频谱管理重要性。
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。
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。