申報(bào)年份：2019年

申報(bào)類別：航空航天類

所屬學(xué)校：南京航空航天大學(xué)

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人:雷磊

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)層次：綜合設(shè)計(jì)型     

無人機(jī)集群是航空系統(tǒng)與信息技術(shù)高度交叉融合的前沿科技，已成為國防領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。涉及飛行器設(shè)計(jì)與工程、信息工程等傳統(tǒng)工科專業(yè)，對具備實(shí)踐能力的跨專業(yè)人才需求非常迫切。然而，無人機(jī)集群相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻面臨著風(fēng)險(xiǎn)高、難度高、成本高的嚴(yán)重困難。針對上述問題，南京航空航天科技大學(xué)，帶著教學(xué)團(tuán)隊(duì)核心來到南京恒點(diǎn)信息技術(shù)有限公司，恒點(diǎn)以相關(guān)科研和教學(xué)成果為基礎(chǔ)，遵照“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，雙方強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，開發(fā)了《多旋翼無人機(jī)裝配與群體協(xié)同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)》項(xiàng)目。

多旋翼無人機(jī)裝配與群體協(xié)同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，旨在學(xué)生掌握多旋翼無人機(jī)裝備參數(shù)與調(diào)試，無人機(jī)群群鏈路預(yù)算與組網(wǎng)，無人機(jī)集群協(xié)同與自主避障相關(guān)的技術(shù)原理和實(shí)驗(yàn)方法。培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程的能力，本項(xiàng)目通過建模，為學(xué)生提供了虛擬的，面積約為64平方公開的某海島。上面有敵我雙方的軍事基地。我方基地有：無人機(jī)裝備實(shí)驗(yàn)室，試飛場，以及14種多旋翼無人機(jī)組件，并且1：1還原了模型功能。

本次實(shí)驗(yàn)一共包含了3個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）多旋翼無人機(jī)裝備與參數(shù)調(diào)試

學(xué)生首先針對多旋翼無人機(jī)部件展開學(xué)習(xí)，然后，系統(tǒng)會(huì)隨機(jī)生成動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生線下計(jì)算并選擇合理的動(dòng)力裝置，系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生的選擇計(jì)算出動(dòng)力性能指標(biāo)。學(xué)生自主判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，裝機(jī)、裝配、調(diào)試子環(huán)節(jié)，學(xué)生從備件庫中取出多旋翼無人機(jī)部件，并完成裝配。本環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生開展容錯(cuò)探究式自主學(xué)習(xí)，裝配過程中如果出現(xiàn)正反螺旋槳位置安裝錯(cuò)誤，或者沒有正確調(diào)整GPS模塊的安裝方向，本項(xiàng)目不會(huì)中斷學(xué)生的實(shí)驗(yàn)，在安裝完畢后，試飛過程中發(fā)生無人機(jī)側(cè)翻等事故，才會(huì)暴露錯(cuò)誤。學(xué)生通過查閱“知視角”中的相關(guān)資料，自主探究錯(cuò)誤原因，并返回裝配式重新調(diào)整。試飛成功后，學(xué)生依次對無人機(jī)PID控制系統(tǒng)的比例（P），積分（I），微分（D），參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且糾正無人機(jī)的“晃動(dòng)”、“高頻抖動(dòng)”、“漂移”、“回彈”，等錯(cuò)誤狀態(tài)，直至無人機(jī)平穩(wěn)飛行。最后提交本環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

 （2）無人機(jī)集群鏈路預(yù)算與組網(wǎng)

系統(tǒng)隨機(jī)生成任務(wù)，學(xué)生線下計(jì)算無人機(jī)節(jié)點(diǎn)最小信號(hào)發(fā)送功率，并完成連通性測試，機(jī)間通信組網(wǎng)子環(huán)節(jié)，學(xué)生完成無人機(jī)集群，自組織時(shí)多分址組網(wǎng)協(xié)議時(shí)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。開展網(wǎng)絡(luò)性能測試與分析，并提交本環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（3）無人機(jī)集群協(xié)同與自主避障

虛擬力場探究，Boids模型給出了集群行為的三條基本規(guī)則，放碰撞，速度匹配和聚合，虛擬立場法將Boids，對無人機(jī)集群節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的影響類比為，力對物體運(yùn)動(dòng)的影響。節(jié)點(diǎn)處在不同區(qū)域時(shí)虛擬立場的變化情況，觀察基于平行四邊形法則的虛擬力合成過程。通過科普華的類比，降低學(xué)生理解虛擬力場法的難度，協(xié)同自主避障，學(xué)生采用控制變量法，逐步分析各類虛擬力場參數(shù)取值，對無人機(jī)集群性能的影響，自主探究，使得無人機(jī)集群協(xié)同性能最優(yōu)的參數(shù)聯(lián)合設(shè)計(jì)方案，最后提交本環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生開展容錯(cuò)探究式自主學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)成績評價(jià)重點(diǎn)，是學(xué)生分析和解決問題的能力，實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的解決方案或參數(shù)取值并不是唯一，系統(tǒng)可分別針對學(xué)生3個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的完成情況進(jìn)行自動(dòng)評分，最后再按照3個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)分別占30%，30%和40%的權(quán)重計(jì)算學(xué)生的最終實(shí)驗(yàn)成績。

本實(shí)驗(yàn)已在相關(guān)高校和行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的科研院所得到應(yīng)用，在南航老師和恒點(diǎn)公司的相互配合下，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目開發(fā)，突出開發(fā)效率的同時(shí)，有效地保證實(shí)驗(yàn)課件在功能性、兼容性、易用性以及美感等維度的品質(zhì)，也為我國航空科研獻(xiàn)出綿薄之力。