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       多旋翼無人機裝配與群體協同虛擬仿真實驗

      多旋翼無人機裝配與群體協同虛擬仿真實驗

      實驗簡介團隊依托南京航空航天大學航空宇航科學與技術國家重點學科、物聯網與控制技術江蘇高校優勢學科、國家級航空工程實驗教學示范中心和國家級電工電子實驗教學示范中心,堅持以學生為中心的實驗教學理念,遵照虛擬仿真實驗項目“能實不虛,虛實結合”的原則,開發了多旋翼無人機裝配與群體協同虛擬仿真實驗,面向行業和社會開放。實驗內容圍繞問題導向的任務線索展開,即“裝配多旋翼無人機并實現群體協同”。學生首先完成多旋翼無人機的裝配和調試,保證無人機能夠平穩飛行;然后構建無人機

      南京航空航天大學

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      實驗簡介


      團隊依托南京航空航天大學航空宇航科學與技術國家重點學科、物聯網與控制技術江蘇高校優勢學科、國家級航空工程實驗教學示范中心和國家級電工電子實驗教學示范中心,堅持以學生為中心的實驗教學理念,遵照虛擬仿真實驗項目“能實不虛,虛實結合”的原則,開發了多旋翼無人機裝配與群體協同虛擬仿真實驗,面向行業和社會開放。實驗內容圍繞問題導向的任務線索展開,即“裝配多旋翼無人機并實現群體協同”。學生首先完成多旋翼無人機的裝配和調試,保證無人機能夠平穩飛行;然后構建無人機間無線通信網絡,保證無人機與其鄰居節點之間可靠的信息傳輸,最后在此基礎上實現無人機群體協同與自主避障。   


       

      設計原則


      無人機集群是航空和信息高度交叉融合的科技前沿,已成為國防領域的研究熱點,對具備實踐能力的跨專業人才需求非常迫切。然而,無人機集群相關的實驗教學卻面臨著風險高、難度高、成本高的嚴重困難。針對上述問題,團隊以相關科研和教學成果為基礎,遵照“能實不虛,虛實結合”的原則,為《無人機集群技術》課程自主研發了多旋翼無人機裝配與群體協同虛擬仿真實驗項目。首先,堅持以學生為中心的教學理念,實驗方案采用了問題導向的設計方法,實驗情景吸引力強,有利于調動學生的學習興趣和積極性。第二,本實驗通過環環相扣的3個實驗環節,將知識學習和能力提升有機融合,引導學生通過容錯探究式的實驗過程得到個性化的實驗結果,培養學生解決復雜問題的綜合能力和探究式的思維方式。第三,本實驗的挑戰度高,實驗知識點源于課堂,但實驗內容來源于無人機集群技術領域的前沿,實驗仿真程序和模擬數據均來源于科研中的實際程序和實測數據。在實驗前,學生需要通過本實驗提供的“在線知識角”,對相關領域的知識進行學習。第四,本實驗將立德樹人融入教學全過程。近年來,無人機集群成為了中國和美國等軍事強國競相發展的熱點。目前,中國電科電子科學研究院已經完成了200架無人機組成的集群試飛實驗。我們把相關學習資料均收錄在實驗項目的在線“知識角”中。學生通過自主學習,深入理解無人機集群技術在國防領域的重要價值。然后進一步通過情景體驗式的實驗教學過程,潛移默化的激發學生投身國防工業的情懷和使命感。   



      課程目的


      本實驗根據《無人機集群技術》課程大綱及關鍵知識點,結合多旋翼無人機集群的軍事應用背景,構建了基于作戰想定的虛擬仿真實驗情景。以“裝配多旋翼無人機并實現群體協同”為任務線索,開展自主容錯探究式虛擬仿真實驗,達到以下實驗目的:(1)通過多旋翼無人機裝配與參數調試實驗環節,幫助學生掌握多旋翼無人機組成原理、動力學模型、裝配要點及PID控制原理,探究實際工程應用需求導向的多旋翼無人機動力裝置設計方法,使學生具備根據多旋翼無人機飛行姿態,分析、判斷并調節PID參數的能力。(2)通過無人機集群鏈路預算與組網實驗環節,幫助學生掌握無線電傳播特性、無線通信系統鏈路預算方法、信道接入控制方法及自組織時分多址協議原理,探究無人機集群網絡無線信號沖突解決方案,使學生具備從協議棧分層的角度開展無人機集群網絡設計的能力。(3)通過無人機集群協同與自主避障實驗環節,幫助學生掌握基于Boid模型的集群運動原則、基于虛擬力場法的無人機集群拓撲控制和自主避障方法,探究虛擬力場參數對無人機集群性能的影響,使學生具備根據工程實際需求,對無人機集群協同性能進行調整的能力。本課程旨在幫助學生掌握無人機集群相關的基礎理論知識。課堂和實驗教學內容重點圍繞無人機集群的概念、無人機集群的組成、無人機集群分布式自組網技術、無人機群體協同與控制技術展開。通過本課程的學習,要求學生掌握無人機集群的概念和基本原理,了解無人機集群的通信與組網方式,掌握經典的無人機群體協同算法,培養探究式的思維方式和解決復雜問題的綜合能力,為進一步學習后續課程以及從事相關專業的科學研究、工程技術及管理工作提供必備的理論基礎。     



      實驗要求


      實驗背景 設計原則 實驗目標 實驗要求 成績評定 (1)專業與年級要求本實驗屬于南京航空航天大學學科拓展課程《無人機集群技術》,該課程面向全校工科專業大三至大四的學生任選。(2)基本知識和能力要求由于無人機集群技術是“航空和信息”高度交叉融合的科技前沿,因此本課程的教學內容是跨專業、跨學科、跨能力范疇的交叉融合。本課程的先修課包括本實驗教學團隊開設的國家精品在線開放課程《無人機設計導論》,以及國際課程《面向物聯網的電子技術》(或其他網絡技術相關課程)。學生學習本門課程之前所需掌握的主要能力和知識結構包括:· 要求學生初步了解無人機的基本組成和飛行原理。· 要求學生掌握基本的無線通信網絡原理。在實際教學中,本實驗不僅應用于《無人機集群技術》課程,相關實驗環節還應用于團隊開設的上述先修課程的實驗教學。值得一提的是,由于本項目的知識角提供了大量文獻、視頻學習資料,因而上述先修課程的學生通過自主學習,也都能較好的完成本實驗所有環節的實驗任務。


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