克拉玛依职业技术学院嵌入式系统实训室建设方案 - 中航恒拓

克拉玛依职业技术学院

嵌入式系统实训室建设方案

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克拉玛依职业技术学院嵌入式系统实训室建设方案

概述
随着科技的飞速发展和智能化时代的到来,无人机技术以其独特的优势在农业植保、地理测绘、物流配送、电力巡检、影视拍摄等多个领域展现出广阔的应用前景。无人机实验室的设立,旨在培养一批掌握无人机组装、调试、维修、检测、编程及行业应用技能的高素质技术技能型人才,以满足社会对无人机专业人才的迫切需求。同时,随着人工智能技术的发展,人工智能 + 无人机也逐渐得以应用,如何使人工智能技术惠及千家万户,如何进一步促进无人机智能化也是今后研究的热点,实训室的建立,亦可满足相关领域的教学与科研工作。
无人机专业和实训室建立的重要意义
服务国家发展战略
无人机技术是国家创新驱动发展战略的重要组成部分。通过培养无人机技术专业人才,可以推动无人机技术在各个领域的应用与创新,助力国家科技实力的提升和经济结构的优化。
促进产业升级
无人机产业链的上下游涉及众多企业,包括无人机制造商、服务商、运营商等。该专业的设立可以为这些企业提供专业人才支持,促进产业升级和转型,推动无人机产业的健康发展。
提升就业竞争力
随着无人机应用领域的不断扩大,市场对无人机专业人才的需求也日益增加。通过系统的学习和实践,学生除了可以掌握无人机组装、调试、维修、检测及行业应用等技能外,还可掌握无人机与人工智能系统的设计与研发,提升自身的就业竞争力,拓宽就业渠道。
满足市场需求
无人机应用领域日益扩大,市场对具备实战能力的无人机专业人才的需求不断增加。该专业的设立可以针对这一市场需求,培养一批具备实战能力的专业人才,为无人机产业的发展提供有力的人才保障。
建设方案
本方案旨在构建具备前沿技术支撑的嵌入式系统实训室建设方案,通过系统化部署实现教学、实训、科研与产业转化的无缝衔接。根据克拉玛依职业技术学院实际情况及根据专业需求,嵌入式系统实训室建设方案建设方案主要分为无人机组装、调试与维护一体实训室等功能区域。


无人机组装、调试与维护一体实训室

嵌入式系统实训室是一个集成了无人机装配、调试、维修,集群表演、嵌入式学习的功能的综合性实训场所。该实训室配备了各种无人机型号及其零部件、专业的装配工具、调试设备和测试仪器,旨在为学生提供一个真实的无人机装调工作环境。通过无人机装调实训室的学习与训练,学生能够全面掌握无人机的装调技能,为未来的无人机应用与维护工作打下坚实的基础。

主要功能
支持无人机结构与系统、无人机维护技术等课程的教学与实训,使学生掌握无人机的构造原理、装配流程、调试技巧和维修方法;提供无人机装调实训平台,让学生亲手进行无人机的组装、调试和测试,积累实践经验;同时,实训室还承担无人机故障排查与维修的教学任务,帮助学生提升解决无人机实际问题的能力。
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。
实验教学内容要求 系统须配套详细的实验指导手册,支持完成至少以下8个核心实验: 实验一:系统启动与设备认知实验 – 掌握系统架构、通电流程及各模块功能。 实验二:5.8G图传系统通信实验 – 完成图传链路建立,观察实时图像传输效果。 实验三:915MHz数传通信实验 – 建立数传链路,通过地面站软件遥测飞行数据。 实验四:遥控器、舵机控制与PWM信号分析实验 – 操作遥控器控制舵机,并用示波器测量分析PWM信号波形。 实验五:5.8G图传信号频谱分析 – 使用频谱分析仪观测图传信号频谱特征、中心频率与带宽。 实验六:915MHz数传信号频谱分析 – 使用频谱分析仪观测数传信号频谱,对比其与图传信号的差异。 实验七:2.4G遥控信号频谱分析 – 捕捉并分析遥控器发射的2.4GHz信号频谱特性。 实验八:多信号干扰分析与频谱管理 – 模拟同频干扰场景,观察通信质量变化,理解频谱管理重要性。
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)
无人机地面站
了解Mission Planner地面站及操作。
■ 实验1:Mission Planner 地面站基本操作
■ 实验2:飞控启动过程与连接地面站
■ 实验3:加速度计校准
■ 实验4:遥控器校准
■ 实验5:电调校准
■ 实验6:磁罗盘校准
■ 实验7:飞行模式选择
■ 实验8:飞行前检查与故障排除
■ 实验9:飞控代码编译与下载
■ 实验10:了解飞控代码架构
无人机维护技术
此课程专注于无人机的日常维护、保养及故障排查与维修技术。学生将学习如何对无人机进行定期检查、清洁、润滑以及更换易损件,同时掌握无人机常见故障的诊断与排除方法。
■ 实验1:遥控系统通讯异常检测与维修
■ 实验2:通讯链路故障检测与维修
■ 实验3:无人机动力系统故障检测与维修
■ 实验4:飞行控制系统故障检测与维修
■ 实验5:固件丢失或异常维修
■ 实验6:无人机保养
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。


无人机通信原理教学实验系统

无人机通信原理教学实验系统是无人机实训室的核心教学平台,专注于揭示无人机天地通信的底层原理。系统集成图传、数传、遥控等真实通信链路,学生可通过频谱仪直观观测2.4GHz、5.8GHz、915MHz等频段的信号特征,进行信道测量、干扰分析、天线对比等实验。它彻底改变了“只飞不通”的传统教学模式,将教学深度从飞行操作延伸至通信数据链层面,旨在培养学生对无线通信系统的深刻理解、测量分析及故障排查能力,为未来从事无人机通信设计、调试与优化工作奠定坚实基础。

无人机蜂群表演编队

无人机蜂群表演编队支持手控飞行、定点飞行、自主航线飞行、自主返航等控制模式,支持横队、纵队、三角、方队、倒V、正V、包围式队形切换等编队模式。地面站软件支持无人机姿态、位置、电池、连接状态显示,支持报警信息提醒、指令发送、回传数据显示,支持目标工作区地图保存和显示、队形编辑、保存与加载。集控制、编辑一体,可预览已编程的飞行轨迹,动画展现飞行姿态,支持2D、3D模拟飞行,支持自动计算避障线路和防碰撞预警。

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。

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。

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。

无人机装调飞测一体化实训操作平台

无人机装调飞测一体化实训操作平台采用高强度钣金一体化成型,提供具有安全防护的飞行调试区域,配备无人机起降环,采用高强度纤维材料,能够与室内教学拆装调无人机实训平台搭配,在保证安全的前提下测试和观察组装或维修后的无人机飞行状态,降低无人机调试时的风险。面板集成数显拉力测量模块,可测量整机升力,测量范围为≥0~5kg。

平台提供控制终端和配套的地面站软件,可满足无人机原理学习、组装维护、综合调试、软件参数设置等需求,可供无人机组装与调试、无人机维护修理等课程使用,还可以满足无人机地面站相关课程学习使用,实现一机多用。

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。

设备清单
序号 设备或部件名称 单位 数量 型号
1 无人机执照考证仿真系统 3 SM-KZ
2 嵌入式及无人机案例实验箱 3 STM32 Drone ARM
3 无人机通信原理教学实验系统 3 TX100
4 无人机蜂群表演编队 10 HT-BY200
5 无人机概论课程资源包 1 XT-V1.0
6 飞控与地面站课程资源包 1 XT-V5.0
7 无人机模拟飞行课程资源包 1 XT-V4.0
8 无人机空域与法规课程资源包 1 XT-V3.0
9 航空气象课程资源包 1 XT-V2.0
10 无人机飞行原理与性能课程资源包 1 XT-V6.0
11 无人机装配调试课程资源包 1 XT-V7.0
12 无人机算法入门课程资源包 1 XT-V8.0
13 无人机零部件维修测试实训平台 3 WX100
14 无人机故障检修实训平台 3 GZ100
15 室内教学拆装调无人机实训平台 3 HT380
16 无人机装调飞测一体化实训操作平台 3 ZT100
17 无人机组装维修工具套件 3 HT-ToolBox
18 无人机拆装耗材套装 3 HT-Lib380
19 拆装调无人机实训平台备用电池 3 5200mAh
20 无人机智能电池管理系统 3 HT-Charger
21 无人机电池安全防爆柜 1 FB150
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。
无人机概论课程资源包
无人机概论教材配套PPT课件电子版一套,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、无人机动力系统、无人机控制站、飞控、通信导航系统。
飞控与地面站课程资源包
MISSION PLANNER地面站简介与操作、飞行控制器介绍、飞控启动过程、加速度计校准、遥控器校准、电调校准、罗盘校准、飞行模式、飞行前检查与故障排除、飞控代码编译与下载、了解飞控代码,电子版课件及视频课程。
无人机模拟飞行课程资源包
模拟器安装、认识、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,电子版教材1套。
无人机空域与法规课程资源包
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》、电子版教材1套。
航空气象课程资源包
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PPT课件1套。
无人机飞行原理与性能课程资源包
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,电子版教材1套。
无人机装配调试课程资源包
组装机臂及电机、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,电子版视频课程1套。
无人机算法入门课程资源包
包括无人机算法、无人机与深度学习视频教程,主要包括零基础入门四旋翼建模与控制等。
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。
飞控与地面站
视频课程及PPT课件,主要包括MISSION PLANNER地面站简介与操作、飞行控制器介绍、飞控启动过程、加速度计校准、遥控器校准、电调校准、罗盘校准、飞行模式、飞行前检查与故障排除、飞控代码编译与下载、了解飞控代码。