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实验室或功能区 无人机虚拟仿真实训室 - 方案文档

无人机虚拟仿真实训室

无人机虚拟仿真实训室是一个专为无人机应用技术专业设计的综合性实训平台,集成了先进的无人机模拟飞行软件和硬件设备。实训室还注重理论与实践的结合,通过多媒体工具进行理论讲解,并结合模拟仿真系统进行实践操作,实现个性化学习和自主训练,全面提升学生的无人机应用技能。

主要功能
为相关课程提供教学与实训支持,通过高度仿真的飞行环境帮助学生掌握无人机操作技能;进行模拟飞行训练,提升学生的飞行技能水平和应急处理能力;增强学生的实践经验和应对复杂情况的能力;同时,还支持无人机系统的学习与测试,使学生能够全面了解无人机的工作原理和性能。
训练无人机操作技能
通过训练,使学生能够熟练掌握无人机的起飞、降落、悬停、飞行、遥控操作等基本技能,确保在实际应用中能够灵活应对各种飞行任务。
培养应急处理能力
针对无人机可能遇到的失控、遇到障碍物、通信中断等紧急情况,进行专门的应急处理训练,提高学生在紧急情况下的应变能力和快速响应能力。
强化安全操作技能
强调安全意识和安全操作规程的重要性,确保学生在操作过程中严格遵守安全规定,保障自身和设备的安全。
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。
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
无人机执照考证仿真系统

无人机执照考证仿真系统通过在计算机上安装模拟软件并搭配专用遥控器,能够高度还原真实场景下的无人机操作。该系统突破了真实飞行在时空、成本与安全方面的限制,为无人机操作学习、技能提升与技术验证提供了一套高效、安全的实践解决方案。

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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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。

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。

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 无人机执照考证仿真系统 51 中航恒拓 SM-KZ
2 嵌入式及无人机案例实验箱 7 中航恒拓 STM32 Drone ARM
3 无人机算法模拟仿真器 7 中航恒拓 VISIM
4 AI视觉无人机开发平台(激光雷达版) 7 中航恒拓 OWL 3L
5 AI视觉无人机蜂群开发平台(激光雷达版) 4 中航恒拓 OWL Mini 3LS
6 无人机蜂群控制平台 1 中航恒拓 V-PC
7 AI视觉无人机耗材包 7 中航恒拓 V-HT-Lib3
8 AI视觉无人机耗材包 4 中航恒拓 V-HT-Libmini3
9 无人机电池安全防爆柜 1 中航恒拓 FB150
10 六边形桌椅组合 7 中航恒拓 LT-6
11 无人机安全飞行防护场地 1 中航恒拓 HT-Flight Zone
主要课程与实验
无人机模拟飞行
通过在计算机上模拟无人机飞行,能够降低实际飞行中的风险,提升训练速度和效率。 训练内容主要包括:
■ 实验1:多旋翼起飞与降落训练;
■ 实验2:多旋翼对尾悬停训练;
■ 实验3:多旋翼对头悬停训练;
■ 实验4:多旋翼右侧悬停飞行训练;
■ 实验5:多旋翼左侧悬停飞行训练;
■ 实验6:多旋翼航线动作训练;
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。
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
配套课程资源
无人机模拟飞行训练
提供关于升降舵悬停练习、副翼舵悬停练习、升降舵+副翼舵悬停练习、四位悬停练习、八位悬停练习、自悬360度练习、正八字练习、无人机起降练习等视频教程。
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。
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