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实验室或功能区 低空飞行器控制教学实验室 - 方案文档

低空飞行器控制教学实验室

低空飞行器控制教学实验室聚焦于低空飞行器相关的教学与科研,配备了丰富多样的设备资源。

主要功能
其功能主要有:一是借助嵌入式及无人机案例实验箱开展各类基础实验与无人机相关调试实验,助力学员熟悉飞控硬件与编程;二是通过无人机算法模拟仿真器软件,为科研与开发者提供无 GPS 环境下无人机算法验证平台,支持定位、导航等算法开发及蜂群组网编队研究;三是利用 AI 视觉无人机开发平台进行基于视觉的无人机定位、避障等功能验证与开发,以及分布式蜂群组网编队研究。
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。
无人机故障检修
无人机零部件维修测试平台主要面向无人机应用技术专业开展无人机调试与综合应用维修测试实训工作,通过该维修测试平台学生能够掌握无人机常见故障维修及综合测试应用
无人机故障检测与维修
接头采用插拔接口设计,可同时设置多种不同的无人机故障,设置动力电源故障、分电板故障、电机供电故障、电机信号故障、接收机故障、飞控供电故障、电机转向故障,故障可通过插拔接口或者开关进行恢复复原。
无人机拆装与维护
能够使学生了解无人机基本构造与原理,掌握无人机组装维护、维修保养等相关理论知识与实操能力。
主要实验装备
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。


多旋翼无人机原理示教平台

多旋翼无人机原理示教平台面板集成飞控、飞控减震球、四路电机、四路电调、机架、分电板、电池、遥控器、接收机等部件,能够展示无人机部件和构成、基本原理、相关部件关系等,可用于无人机结构原理认知、无人机飞控系统调试、动力系统调试、载荷拓展模块设计开发调试等,还可以学习遥控系统、演示机械爪、图传与显示屏、反无人机系统的构造与工作原理,整体结构便于教学使用,可接入220V电源,通电后即可正常演示所有功能,机柜底部带4个万向轮方便移动。

六旋翼无人机飞行开发平台

HT600是一款专为教学而生的无人机开发实训平台,适用于作为室外实操教学六旋翼无人机飞行平台使用。

采用碳纤维可折叠机身,既可用于教学开发,也可以用于室外飞行训练、调试,通过配套地面站软件可进行PID参数调节、传感器校准、参数设置、航线规划等实训环节,开源飞控,可二次开发,还可以实现自主飞行。整机结构牢固,承载能力强,可挂载寻迹、小球投放、钩瓶、激光打靶、航拍、机械臂、机械爪等各类设备,符合国际机器人挑战赛无人机自主飞行赛项、中国工程机器人大赛无人机赛项等竞赛的要求。

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。

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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;

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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;

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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;

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无人机零部件维修测试实训平台

无人机零部件维修测试平台主要面向无人机调试与综合应用维修测试实训工作,通过该维修测试平台,学生能够掌握无人机常见故障维修及综合测试应用。

平台构造合理,操作便捷,功能丰富,采用一体集成式设计,配备防静电实验操作台,集成波形采集模块,波形发生器,数字万用表,可编程直流电源,可编程直流电子负载等设备,可用于无人机调试与综合应用维修测试实训、无人机常见故障维修及综合测试应用,能够进行无人机电机、控制机构、信号传输、遥控器等部分测试并可对控制程序进行综合编程练习,还可以用于无人机软件调试、参数设置、地面站及应用程序开发等。

小型八旋翼无人机电子执照考训平台

HT1000X8是一款面向教学的无人机飞行平台,是三类CAAC民航执照考证专用无人机,满足AOPA和CAAC培训与考试的相关需求,适合高校及职业院校开展实验实训,尤其是“1+X”无人机驾驶职业技能培训使用。支持多种挂载设备,满足行业应用和二次开发。

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AI视觉无人机开发平台(激光雷达版)

猫头鹰3,实战派。全能旗舰,助力科研成果转化落地,与猫头鹰Mini 3相比,猫头鹰 3体型更大,负载更强,能够搭载更多设备,适用于更多场景。

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OWL 3L搭载VisBot 3代视觉模块,双轴增稳云台以及4线LiDAR激光雷达,适用于无GPS环境下基于视觉/LiDAR的无人机定位/导航/避障算法的验证与开发,以及室内无人机组网编队的研究。

激光雷达定位基于LiDAR激光传感器获得的点云数据,融合惯性导航模块的6轴数据,实现LIO算法。

视觉定位基于双目视觉传感器捕获的双目图像,融合惯性导航模块数据,实现VIO算法。

可基于动作捕捉系统定位,支持VRPN协议实时获得定位信息,提供真实飞行数据。

支持基于LiDAR点云/iTof深度图/双目产生深度图,实时生成地图和路径规划的避障算法。

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激光雷达通过发射激光束并接收反射光来测量距离,能够提供高精度的距离数据,可精确探测到障碍物的位置、形状和大小等信息,相比单纯的视觉传感器,激光雷达传感器受光照条件、物体表面纹理等因素的影响更小。可以在诸如电磁干扰、强光干扰等复杂的环境中稳定工作,减少因外部干扰而导致的误差,保证无人机对周围环境的准确感知。结合激光雷达获取的大量精确距离数据和OWL3L自身的计算能力,能够快速构建出周围环境的三维模型,为无人机的自主导航、路径规划以及避障提供更全面、准确的信息基础,使其能更好地适应复杂多变的环境。

无人机故障检修实训平台

无人机故障检修实训平台功能全面,涵盖了硬件配置、飞行模式、传感器集成、功能扩展、实训平台结构、安全设计、故障设置与检测以及故障检测与维修等多个方面,能够为学生提供丰富的实训内容和良好的学习体验,有助于培养学生的无人机故障检测与维修能力。

该平台能够还原四旋翼无人机系统构成,直观展示无人机内部线路的连接方式,帮助学生深入了解无人机的硬件结构和电气连接。支持多种无人机故障情景,包括动力电源故障、分电板故障、电机供电故障、电机信号故障、接收机故障、飞控供电故障、电机转向故障等,接头采用插拔接口设计,可同时设置多种不同的无人机故障情景,设置的故障可通过插拔接口或者开关进行恢复复原,方便学生进行故障模拟和维修练习。

四类中型六旋翼无人机考训平台

HT1600是一款面向培训与考试的六旋翼无人机电子执照考训平台,轴距1650 mm,最大起飞重量40.5 kg,是四类CAAC民航执照考证专用无人机,满足无人机培训与考试的相关需求,可用于相关培训,非常适合各种行业用户以及各类高校、职业院校培训考试使用,该机型还支持二次开发,可用于行业应用实训。


室内教学拆装调无人机实训平台

室内教学拆装调无人机实训平台HT380是一款专为教学而生的无人机实训平台,外观设计精美,机身采用高强度碳纤维和航空铝材质,配以M3内六角碳钢螺丝,牢固可靠,不易损坏,寿命长,可用于反复拆装,能够清晰展示无人机各零部件外观,使学生了解无人机基本构造与原理。配套多自由度桌面调试系统,无人机可通过快拆接口连接到调试器,配套专业遥控器,学生可在室内桌面上进行飞行调试,调参,避免炸机。

提供完备的使用说明书、拆装调试手册、全系列视频教程等学习资料,不仅可进行无人机相关教学以及零部件调试、故障检测维修、地面站调试与设置等学习,还可以用于学科竞赛、二次开发和改装。

无人机智能电池管理系统

无人机智能电池管理系统采用集成式手提航空箱设计,面板包含4路充电组接口,每组包含2-6S充电接口,最多可同时充放 4路2-6S锂聚合物电池。

支持多种安全保护设计,电源输入反接、欠压、过压保护和输出充电反接保护。

实时显示充电状态、每片电池的充电电流、电池电压和充电电量,对电池状态情况一目了然。

可选工作模式,支持轮流充电、同时充电、放电、电压检测;拥有极高的平衡效率,即使不平衡的电池组,在1C充电条件下,充电时间亦不到1小时。

系统功率低,效率高,自身功耗不超过1W,拥有极高的电能使用效率,充电时充电器不发热。

支持电池分析功能,可查看每片电池的起始电压,充电容量,停止电压。

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 嵌入式及无人机案例实验箱 19 中航恒拓 STM32 Drone ARM
2 多旋翼无人机原理示教平台 1 中航恒拓 YL100
3 六旋翼无人机飞行开发平台 5 中航恒拓 HT600
4 无人机算法模拟仿真器 9 中航恒拓 VISIM
5 无人机零部件维修测试实训平台 1 中航恒拓 WX100
6 小型八旋翼无人机电子执照考训平台 5 中航恒拓 HT1000X8
7 AI视觉无人机开发平台(激光雷达版) 10 中航恒拓 OWL 3L
8 无人机故障检修实训平台 20 中航恒拓 GZ100
9 四类中型六旋翼无人机考训平台 5 中航恒拓 HT1600
10 AI视觉无人机耗材包 10 中航恒拓 V-HT-Lib3
11 室内教学拆装调无人机实训平台 20 中航恒拓 HT380
12 考训平台备用电池 10 中航恒拓 22000MAH
13 无人机拆装耗材套装 20 中航恒拓 HT-Lib380
14 电子执照无人机考试监测系统 2 中航恒拓 U-RTK
15 计算机 9 主流品牌 主流型号
16 无人机组装维修工具套件 20 中航恒拓 HT-Tools
17 RTK考试训练基站 2 中航恒拓 ----
18 桌椅 9 中航恒拓 主流型号
19 拆装调无人机实训平台备用电池 40 中航恒拓 5200mAh
20 计算机 2 主流品牌 主流型号
21 无人机智能电池管理系统 5 中航恒拓 HT-Charger
22 无人机云端接入设备 6 中航恒拓 ----
23 钢制多层设备存放架 2 中航恒拓 SJ-4
24 飞行训练专用教练控 5 中航恒拓 ET16S
25 多隔板密码储物柜 2 中航恒拓 SG-04C
26 考训平台维修备件库 6 中航恒拓 ----
27 无人机电池安全防爆柜 1 中航恒拓 FB150
28 无人机外场训练场地道具 1 中航恒拓 ----
主要课程与实验
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。
无人机飞行实训
此课程是无人机应用技术专业的核心实践课程之一,学生将在无人机室外飞行区进行无人机的实际飞行操作训练。通过模拟真实飞行环境,学生将学习无人机的起飞、降落、悬停、航线飞行等基本飞行技能,并逐步提高飞行操控的准确性和稳定性。
无人机应用技能训练
在无人机室外飞行区,学生还将进行无人机应用技能的训练,如农业植保、电力巡检、航拍测绘等。通过实际操作无人机完成特定任务,学生将掌握无人机在不同领域中的应用技巧,并提升解决实际问题的能力。
无人机飞行性能测试
此课程旨在让学生了解和掌握无人机飞行性能的测试方法。在无人机室外飞行区,学生将对不同型号的无人机进行性能测试,包括飞行速度、飞行高度、续航能力、稳定性等方面的测试,并分析测试结果,为无人机的优化和改进提供数据支持。
无人机应急处理训练
无人机在飞行过程中可能会遇到各种突发情况,如信号丢失、电池耗尽、机械故障等。在无人机室外飞行区,学生将进行无人机应急处理的训练,学习如何在紧急情况下迅速做出反应,确保无人机和人员的安全。
无人机团队协作训练
无人机应用往往需要多人协作完成,如无人机编队飞行、无人机集群作业等。在无人机室外飞行区,学生将进行团队协作训练,学习如何与其他成员有效沟通、协调行动,共同完成无人机应用任务。
无人机操作与飞行技巧
此课程专注于无人机的基础操作技能和高级飞行技巧的培训。学生将学习无人机的起飞、降落、悬停、巡航等基本操作,以及复杂环境下的飞行技巧,如避障飞行、夜间飞行等。
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
无人机故障调试与维护
能够进行以下故障检测实验。
■ 实验1:无人机配电系统故障检测实验
■ 实验2:无人机电源管理模块故障检测实验
■ 实验3:无人机遥控通讯系统故障检测实验
■ 实验4:无人机电机缺项故障检测实验
■ 实验5:无人机电调信号故障检测实验
■ 实验6:无人机电调供电故障检测实验
■ 实验7:无人机动力系统综合检测实验
■ 实验8:IMU惯性测量单元校准故障检测实验;
■ 实验9:无人机飞控故障故障检测实验
■ 实验10:无人机系统综合故障检测实验
无人机结构与系统
该课程旨在使学生深入了解无人机的结构组成、各部件功能以及整体系统的工作原理。通过理论学习与实践操作相结合,学生能够掌握无人机的基本构造和系统设计原理。
■ 实验1:识别无人机各部件外观
■ 实验2:无人机相关软件安装与基本操作
■ 实验3:C++与Git
■ 实验4:遥控器使用
无人机组装与调试
这是一门实践性很强的课程,学生将亲手进行无人机的组装与调试工作,通过实际操作,学生将掌握无人机的组装流程、调试技巧以及测试方法,确保无人机能够正常、稳定地运行。
■ 实验1:无人机组装
■ 实验2:无人机零部件更换
■ 实验3:无人机零部件调试
■ 实验4:起飞前设置(固件、参数、传感器、电机、螺旋桨)
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。
无人机基本理论
无人机概论教材配套PPT课件,包含无人机的相关概念、特点和分类、无人机的发展历史现状与未来、无人机结构与系统、无人机的基本结构。航空气象PPT课件,主要包括大气的成分、基本气象要素、空气的水平运动、空气的垂直运动、云的分类、降水、能见度、低空风切变,能见度、视程障碍、气团和锋、锋面天气、雷暴、雷暴与飞行、飞机颠簸、飞机积冰。
无人机空域与法规电子版教材及PPT课件,主要包括空域知识、AC61《民用无人机驾驶员管理规定》、AC91《民用无人机运行管理规定》,《民用无人机驾驶航空系统空中交通管理办法》、《民用无人机驾驶航空器实名登记管理规定》、《民用无人机驾驶员合格审定规则》、《民用无人驾驶航空器经营性飞行活动管理规定》。无人机飞行原理与性能电子版教材,主要包括标准大气及其物理性质、流动气体的基本规律、飞机的几何外形和参数、升力的产生、影响飞机升力的因素、阻力、速度、高度、续航、速度、高度、续航、起飞降落与机动性能。
AOPA和CAAC考试相关资源。
无人机装配调试
实训手册及视频课程,视频课程主要包括室内教学拆装调无人机实训平台组装上机臂及电机、组装上机臂20mm铝柱、组装下机臂、组装脚垫及机腿、组装电池板、安装机臂、安装电源模块及连接电调线、焊接电调线及BB响、安装LED灯及飞控、连接电调信号线和安装上主板、安装接收机并连接飞控线、固定电调和接收机天线、安装无人机桨叶、安装安全拉杆。
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