多旋翼无人机装配与群体协同虚拟仿真实验

       申报年份：2019年

申报类别：航空航天类

所属学校：南京航空航天大学

项目负责人:雷磊

实验设计层次：综合设计型     

无人机集群是航空系统与信息技术高度交叉融合的前沿科技，已成为国防领域的研究热点。涉及飞行器设计与工程、信息工程等传统工科专业，对具备实践能力的跨专业人才需求非常迫切。然而，无人机集群相关的实验教学却面临着风险高、难度高、成本高的严重困难。针对上述问题，南京航空航天科技大学，带着教学团队核心来到南京恒点信息技术有限公司，恒点以相关科研和教学成果为基础，遵照“能实不虚，虚实结合”的原则，双方强强联手，开发了《多旋翼无人机装配与群体协同虚拟仿真实验》项目。

多旋翼无人机装配与群体协同虚拟仿真实验，旨在学生掌握多旋翼无人机装备参数与调试，无人机群群链路预算与组网，无人机集群协同与自主避障相关的技术原理和实验方法。培养学生分析和解决工程的能力，本项目通过建模，为学生提供了虚拟的，面积约为64平方公开的某海岛。上面有敌我双方的军事基地。我方基地有：无人机装备实验室，试飞场，以及14种多旋翼无人机组件，并且1：1还原了模型功能。

本次实验一共包含了3个环节：

（1）多旋翼无人机装备与参数调试

学生首先针对多旋翼无人机部件展开学习，然后，系统会随机生成动力系统设计任务，学生线下计算并选择合理的动力装置，系统根据学生的选择计算出动力性能指标。学生自主判断是否达到设计要求，装机、装配、调试子环节，学生从备件库中取出多旋翼无人机部件，并完成装配。本环节引导学生开展容错探究式自主学习，装配过程中如果出现正反螺旋桨位置安装错误，或者没有正确调整GPS模块的安装方向，本项目不会中断学生的实验，在安装完毕后，试飞过程中发生无人机侧翻等事故，才会暴露错误。学生通过查阅“知视角”中的相关资料，自主探究错误原因，并返回装配式重新调整。试飞成功后，学生依次对无人机PID控制系统的比例（P），积分（I），微分（D），参数进行调节，并且纠正无人机的“晃动”、“高频抖动”、“漂移”、“回弹”，等错误状态，直至无人机平稳飞行。最后提交本环节实验结果。

 （2）无人机集群链路预算与组网

系统随机生成任务，学生线下计算无人机节点最小信号发送功率，并完成连通性测试，机间通信组网子环节，学生完成无人机集群，自组织时多分址组网协议时帧结构设计。开展网络性能测试与分析，并提交本环节实验结果。

（3）无人机集群协同与自主避障

虚拟力场探究，Boids模型给出了集群行为的三条基本规则，放碰撞，速度匹配和聚合，虚拟立场法将Boids，对无人机集群节点运动的影响类比为，力对物体运动的影响。节点处在不同区域时虚拟立场的变化情况，观察基于平行四边形法则的虚拟力合成过程。通过科普华的类比，降低学生理解虚拟力场法的难度，协同自主避障，学生采用控制变量法，逐步分析各类虚拟力场参数取值，对无人机集群性能的影响，自主探究，使得无人机集群协同性能最优的参数联合设计方案，最后提交本环节实验结果。

本实验要求学生开展容错探究式自主学习，实验成绩评价重点，是学生分析和解决问题的能力，实验报告中的解决方案或参数取值并不是唯一，系统可分别针对学生3个实验环节的完成情况进行自动评分，最后再按照3个实验环节分别占30%，30%和40%的权重计算学生的最终实验成绩。

本实验已在相关高校和行业内领先的科研院所得到应用，在南航老师和恒点公司的相互配合下，指导实验教学项目开发，突出开发效率的同时，有效地保证实验课件在功能性、兼容性、易用性以及美感等维度的品质，也为我国航空科研献出绵薄之力。