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实验室或功能区 无人机编程与物流实训实验室 - 方案文档

无人机编程与物流实训实验室

无人机编程与物流实训实验室建设以“软硬协同、场景驱动”为核心,硬件层面配置多类型无人机平 台、智能计算设备、仿真测试环境及模块化实验台,通过“硬件+软件+算法”全链条实践,使学生掌握无 人机系统设计、AI模型部署、嵌入式开发等核心技能,成为兼具机械、电子、计算机跨学科知识的“T型人才”, 满足智能装备、低空经济等领域对高端技术人才的需求。

主要功能
支持传感器、自动控制等实验;AI视觉无人机开发平台3/3L以视觉定位、避障与目标检测为核心,适配无GPS场景;AI视觉无人机蜂群开发平台3S主打多机协同与异构智能体任务,提供开源算法与高扩展性;无人机算法模拟仿真器软件则通过虚拟环境模拟飞行动力学与复杂场景,实现任务训练、数据记录与AI评估,四者共同覆盖从基础教学到前沿研发的全流程需求。
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。
无人机物流运输技术
展示无人机在物流运输领域的应用,包括物流无人机的选型、配送路线规划、货物装载与卸载等,学生将了解无人机物流运输的基本原理和操作流程,探索无人机在物流行业中的创新应用。多旋翼物流教学无人机通过其高冗余度设计、强环境适应性与物流专项参数,为学员提供了从基础飞行到复杂物流任务的完整技能培养体系。同时,其碳纤维材质与模块化设计也为设备维护与教学扩展提供了便利。
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。

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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。

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。

大载重中型六旋翼物流无人机实训平台

物流无人机作为智慧物流的重要组成部分,其应用场景和技术优势已逐渐渗透到物流行业的各个环节。该平台设计具备承载重物的能力,对角轴距 1850 mm,最大载重 20 kg,能够执行重型货物运输、物资投放等任务,满足学生对大型物流无人机操作训练、物流飞行方案和飞行计划制定、飞行安全保证等学习和训练等需求。

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 无人机算法模拟仿真器 12 中航恒拓 VISIM
2 AI视觉无人机开发平台(激光雷达版) 10 中航恒拓 OWL 3L
3 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
4 无人机蜂群控制平台 2 中航恒拓 V-PC
5 AI视觉无人机耗材包 10 中航恒拓 V-HT-Libmini3
6 AI视觉无人机耗材包 10 中航恒拓 V-HT-Lib3
7 无人机智能电池管理系统 5 中航恒拓 HT-Charger
8 无人机电池安全防爆柜 1 中航恒拓 FB150
9 六旋翼无人机飞行开发平台 9 中航恒拓 HT600
10 大载重中型六旋翼物流无人机实训平台 2 中航恒拓 HT-WL20
11 六边形桌椅组合 9 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
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。
无人机物流技术
无人机物流飞行计划、航线规划、飞行安全保证。
配套课程资源
无人机物流技术
物流无人机操作与安全保证相关教程。
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