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实验室或功能区 低空交通空地协同实验室 - 方案文档

低空交通空地协同实验室

低空交通空地协同实验室致力于无人机及相关领域的科研与教学。实验室配备多种设备,包括 AI 视觉无人机开发平台、无人车开发平台等。

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
其功能主要体现在两方面,一是借助 AI 视觉无人机开发平台实现无 GPS 室内环境下基于视觉的无人机定位、导航等验证与开发,支持分布式蜂群组网编队研究;二是通过空地协同系统软件包实现无人机对地面无人车的全自动、高精度动态降落,达成空地协同作业。
了解和掌握蜂群协同定位和协同控制
支持多无人机之间的协同定位,使蜂群在飞行过程中能够准确知晓彼此位置,为蜂群的协同飞行、编队等功能提供基础。可实现无人机之间的机间两两通信,任意一架无人机均可获取其他无人机的信息以及控制其他无人机飞行,从而实现蜂群的协同飞行、编队变换等复杂功能,以完成各种任务。
主要实验装备
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。

无人车开发平台

基于ROS操作系统开发的智能视觉搬运机器人,以树莓派4B为主控,采用Python编程,在视觉机械臂的基础上,增加了一个可以全向移动的麦克纳姆轮底盘,使得机器人可以进行移动抓取、目标追踪、智能搬运等功能,底盘可以自由拆卸,既可以作为桌面视觉机械臂使用,也可以作为移动视觉机械臂使用,提供源代码及两百多节课程资料,帮助用户更好的学习相关知识。能够与无人机配合实现空地协同。

AI视觉无人机蜂群开发平台(激光雷达版)

蜂群控制系统主要模块包括飞控模块,定位模块,避障模块,captain,双目驱动,云台驱动,这些模块对内对外统一使用ROS1接口。其中,飞控模块运行基于PX4开源固件自主修改版本,其主要接口和框架兼容PX4规范。自主研发的双目驱动模块, 提供硬件时钟同步的双目数据及生成的深度图。无人机定位系统包括基于视觉的VIO,IMU等传感器数据融合,融合工作由飞控模块完成,定位模块在机载电脑上实现的视觉VIO。避障模块在避障功能打开的环境下,提供到单一或者连续目标点避障路径。为适应不同飞行任务需求,控制机载电脑上各个算法模块,Captain提供了一个统一控制点和任务管理器,方便实现不同的飞行任务。ROS1接口的云台驱动模块,提供云台姿态数据,提供云台控制接口,提供视频图像用于第三方软件实施跟踪。

蜂群软件架构包括单机系统和算法软件,多机协同软件,多机通讯机制。在多机协同环境,还需要协调多机轨迹、位置、同步完成多机目标飞行。适配了Ego-Planner-Swarm开源软件,作为多机协同下的避障导航软件。它结合了多机的位置,和各自目标下的轨迹,整体规划出防碰撞轨迹。再结合控制软件就可以同步控制集群进行目标飞行。在分布式多机协同系统中,需要互通网络环境和多机通讯机制。目前引用的Ego-Planner-Swarm软件是基于ROS系统的多机通讯机制,是Master/Slave架构的消息通讯机制。Visbot视觉模块提供了Wifi接口,可接入大功率Wi-Fi基站,优势是可以较长距离通讯;也可以配置成自组网模式, 省去Wi-Fi基站,可以满足小范围的机群需求。

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在视觉版的基础上,激光雷达版搭载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。激光定位基于LiDAR激光传感器获得的点云数据,并且融和惯性导航模块的6轴数据,实现的LIO算法。视觉定位是通过基于双目视觉传感器的双目图像,融和惯性导航模块数据,实现的VIO算法。可以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。避障功能是基于定位结果,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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无人机安全飞行防护场地

无人机飞行安全防护场地全方位守护无人机飞行训练和科学研究,为无人机实训实验筑起安全屏障,可避免因操作失误导致的人员受伤。

场地标准尺寸为5.0 m × 5.0 m × 2.5 m,采用桁架骨架结构、5英寸尼龙防护网,配套海绵地垫,不仅可用于无人机日常和赛前训练,也可搭建任务场地用于课题研究实验和各类创新实践。

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 AI视觉无人机开发平台(激光雷达版) 10 中航恒拓 OWL 3L
2 无人车开发平台 10 中航恒拓 HT-CAR
3 空地协同系统软件包 1 中航恒拓 ASCS
4 AI视觉无人机蜂群开发平台(激光雷达版) 10 中航恒拓 OWL Mini 3LS
5 无人机蜂群控制平台 2 中航恒拓 V-PC
6 AI视觉无人机耗材包 20 中航恒拓 V-HT-Libmini3
7 无人机安全飞行防护场地 1 中航恒拓 HT-Flight Zone
8 计算机 16 主流品牌 主流型号
9 桌椅 9 中航恒拓 主流型号
主要课程与实验
配套课程资源
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