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实验室或功能区 无人机人工智能实验室 - 方案文档

无人机人工智能实验室

无人机人工智能实验室建设以“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,四者共同覆盖从基础教学到前沿研发的全流程需求。
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。
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。

AI视觉无人机蜂群开发平台(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OWL mini 3相比,OWL 3 体型更大,负载更强,能够搭载更多设备,更适用于多场景。

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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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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) 5 中航恒拓 OWL 3L
2 AI视觉无人机蜂群开发平台(激光雷达版) 5 中航恒拓 OWL 3LS
3 无人机算法模拟仿真器 1 中航恒拓 VISIM
4 AI视觉无人机耗材包 2 中航恒拓 V-HT-Lib3
5 AI视觉无人机耗材包 2 中航恒拓 V-HT-Libmini3
6 无人机场地飞行道具 1 中航恒拓 HT-FLYP
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
配套课程资源
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