實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

團(tuán)隊(duì)依托南京航空航天大學(xué)航空宇航科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科、物聯(lián)網(wǎng)與控制技術(shù)江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科、國(guó)家級(jí)航空工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和國(guó)家級(jí)電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，遵照虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“能實(shí)不虛，虛實(shí)結(jié)合”的原則，開(kāi)發(fā)了多旋翼無(wú)人機(jī)裝配與群體協(xié)同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，面向行業(yè)和社會(huì)開(kāi)放。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容圍繞問(wèn)題導(dǎo)向的任務(wù)線索展開(kāi)，即“裝配多旋翼無(wú)人機(jī)并實(shí)現(xiàn)群體協(xié)同”。學(xué)生首先完成多旋翼無(wú)人機(jī)的裝配和調(diào)試，保證無(wú)人機(jī)能夠平穩(wěn)飛行；然后構(gòu)建無(wú)人機(jī)間無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，保證無(wú)人機(jī)與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間可靠的信息傳輸，最后在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)群體協(xié)同與自主避障。   

設(shè)計(jì)原則

無(wú)人機(jī)集群是航空和信息高度交叉融合的科技前沿，已成為國(guó)防領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，對(duì)具備實(shí)踐能力的跨專業(yè)人才需求非常迫切。然而，無(wú)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(duì)上述問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)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，為《無(wú)人機(jī)集群技術(shù)》課程自主研發(fā)了多旋翼無(wú)人機(jī)裝配與群體協(xié)同虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。首先，堅(jiān)持以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，實(shí)驗(yàn)方案采用了問(wèn)題導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)情景吸引力強(qiáng)，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。第二，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)環(huán)環(huán)相扣的3個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，將知識(shí)學(xué)習(xí)和能力提升有機(jī)融合，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)容錯(cuò)探究式的實(shí)驗(yàn)過(guò)程得到個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力和探究式的思維方式。第三，本實(shí)驗(yàn)的挑戰(zhàn)度高，實(shí)驗(yàn)知識(shí)點(diǎn)源于課堂，但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容來(lái)源于無(wú)人機(jī)集群技術(shù)領(lǐng)域的前沿，實(shí)驗(yàn)仿真程序和模擬數(shù)據(jù)均來(lái)源于科研中的實(shí)際程序和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)前，學(xué)生需要通過(guò)本實(shí)驗(yàn)提供的“在線知識(shí)角”，對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)。第四，本實(shí)驗(yàn)將立德樹人融入教學(xué)全過(guò)程。近年來(lái)，無(wú)人機(jī)集群成為了中國(guó)和美國(guó)等軍事強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的熱點(diǎn)。目前，中國(guó)電科電子科學(xué)研究院已經(jīng)完成了200架無(wú)人機(jī)組成的集群試飛實(shí)驗(yàn)。我們把相關(guān)學(xué)習(xí)資料均收錄在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的在線“知識(shí)角”中。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，深入理解無(wú)人機(jī)集群技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域的重要價(jià)值。然后進(jìn)一步通過(guò)情景體驗(yàn)式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程，潛移默化的激發(fā)學(xué)生投身國(guó)防工業(yè)的情懷和使命感。   

課程目的

本實(shí)驗(yàn)根據(jù)《無(wú)人機(jī)集群技術(shù)》課程大綱及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，結(jié)合多旋翼無(wú)人機(jī)集群的軍事應(yīng)用背景，構(gòu)建了基于作戰(zhàn)想定的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)情景。以“裝配多旋翼無(wú)人機(jī)并實(shí)現(xiàn)群體協(xié)同”為任務(wù)線索，開(kāi)展自主容錯(cuò)探究式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，達(dá)到以下實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/span>（1）通過(guò)多旋翼無(wú)人機(jī)裝配與參數(shù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生掌握多旋翼無(wú)人機(jī)組成原理、動(dòng)力學(xué)模型、裝配要點(diǎn)及PID控制原理，探究實(shí)際工程應(yīng)用需求導(dǎo)向的多旋翼無(wú)人機(jī)動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)方法，使學(xué)生具備根據(jù)多旋翼無(wú)人機(jī)飛行姿態(tài)，分析、判斷并調(diào)節(jié)PID參數(shù)的能力。（2）通過(guò)無(wú)人機(jī)集群鏈路預(yù)算與組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生掌握無(wú)線電傳播特性、無(wú)線通信系統(tǒng)鏈路預(yù)算方法、信道接入控制方法及自組織時(shí)分多址協(xié)議原理，探究無(wú)人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信號(hào)沖突解決方案，使學(xué)生具備從協(xié)議棧分層的角度開(kāi)展無(wú)人機(jī)集群網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的能力。（3）通過(guò)無(wú)人機(jī)集群協(xié)同與自主避障實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生掌握基于Boid模型的集群運(yùn)動(dòng)原則、基于虛擬力場(chǎng)法的無(wú)人機(jī)集群拓?fù)淇刂坪妥灾鞅苷戏椒?，探究虛擬力場(chǎng)參數(shù)對(duì)無(wú)人機(jī)集群性能的影響，使學(xué)生具備根據(jù)工程實(shí)際需求，對(duì)無(wú)人機(jī)集群協(xié)同性能進(jìn)行調(diào)整的能力。本課程旨在幫助學(xué)生掌握無(wú)人機(jī)集群相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。課堂和實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容重點(diǎn)圍繞無(wú)人機(jī)集群的概念、無(wú)人機(jī)集群的組成、無(wú)人機(jī)集群分布式自組網(wǎng)技術(shù)、無(wú)人機(jī)群體協(xié)同與控制技術(shù)展開(kāi)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握無(wú)人機(jī)集群的概念和基本原理，了解無(wú)人機(jī)集群的通信與組網(wǎng)方式，掌握經(jīng)典的無(wú)人機(jī)群體協(xié)同算法，培養(yǎng)探究式的思維方式和解決復(fù)雜問(wèn)題的綜合能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)課程以及從事相關(guān)專業(yè)的科學(xué)研究、工程技術(shù)及管理工作提供必備的理論基礎(chǔ)。     

實(shí)驗(yàn)要求

（1）專業(yè)與年級(jí)要求本實(shí)驗(yàn)屬于南京航空航天大學(xué)學(xué)科拓展課程《無(wú)人機(jī)集群技術(shù)》，該課程面向全校工科專業(yè)大三至大四的學(xué)生任選。（2）基本知識(shí)和能力要求由于無(wú)人機(jī)集群技術(shù)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(xué)內(nèi)容是跨專業(yè)、跨學(xué)科、跨能力范疇的交叉融合。本課程的先修課包括本實(shí)驗(yàn)教學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)設(shè)的國(guó)家精品在線開(kāi)放課程《無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)導(dǎo)論》，以及國(guó)際課程《面向物聯(lián)網(wǎng)的電子技術(shù)》（或其他網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相關(guān)課程）。學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程之前所需掌握的主要能力和知識(shí)結(jié)構(gòu)包括：· 要求學(xué)生初步了解無(wú)人機(jī)的基本組成和飛行原理。· 要求學(xué)生掌握基本的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)原理。在實(shí)際教學(xué)中，本實(shí)驗(yàn)不僅應(yīng)用于《無(wú)人機(jī)集群技術(shù)》課程，相關(guān)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)還應(yīng)用于團(tuán)隊(duì)開(kāi)設(shè)的上述先修課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。值得一提的是，由于本項(xiàng)目的知識(shí)角提供了大量文獻(xiàn)、視頻學(xué)習(xí)資料，因而上述先修課程的學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)，也都能較好的完成本實(shí)驗(yàn)所有環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。