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实验简介

团队依托南京航空航天大学航空宇航科学与技术国家重点学科、物联网与控制技术江苏高校优势学科、国家级航空工程实验教学示范中心和国家级电工电子实验教学示范中心,坚持以学生为中心的实验教学理念,遵照虚拟仿真实验项目“能实不虚,虚实结合”的原则,开发了多旋翼无人机装配与群体协同虚拟仿真实验,面向行业和社会开放。实验内容围绕问题导向的任务线索展开,即“装配多旋翼无人机并实现群体协同”。学生首先完成多旋翼无人机的装配和调试,保证无人机能够平稳飞行;然后构建无人机间无线通信网络,保证无人机与其邻居节点之间可靠的信息传输,最后在此基础上实现无人机群体协同与自主避障

教学团队
实验背景

1. 无人机集群技术对跨专业人才培养提出了新需求,符合新工科专业建设的发展方向。

无人机按照结构的不同,可分为固定翼、单旋翼和多旋翼三种类型。其中,多旋翼无人机与固定翼无人机相比,具有垂直起降、空中悬停、低空飞行和原地回转等优势;与单旋翼无人机相比,它无需尾桨装置,因而机械结构简单、安全性高、使用成本低。由于具备上述优势,多旋翼无人机在军事和民用领域均获得了广泛的应用。例如在战场区域执行侦察、监视和毁伤评估等各类危险任务,甚至实施无人攻击;或者在民用领域应用于交通巡查、森林防火、农业喷洒等多种场景。

伴随着无线自组网和群体智能等技术的快速发展,研究人员又提出了无人机集群的概念。无人机集群由大量小型化、低成本、灵活性高的无人机节点组成。节点间采用无线自组网技术实现互联,并在群体协同算法的保证下,构建智能化、功能分布化的高抗毁作战体系。研究结果表明,无人机集群能够突破单架无人机在探测能力、武器载荷等方面受到的限制,在数量规模、协同作战效能、敌我对抗交换成本等方面具有巨大的优势。

近年来,无人机集群成为了中国和美国等军事强国竞相发展的热点。而由上述分析可知,无人机集群技术是“航空和信息”高度交叉融合的科技前沿,涉及飞行器设计与工程(082002)、信息工程(080706)等传统工科专业,对具备实践能力的跨专业人才培养需求非常迫切,符合新工科专业建设的发展方向。相关技术原理是跨专业学科拓展课程《无人机集群技术》,及其先修课程《航空航天概论》、《无人机设计导论》、《通信网络》等的重要教学内容。同时,如何将立德树人融入教学全过程,通过情景体验式的教学方法,不仅使学生理解无人机集群在国防领域的重要价值,而且潜移默化的激发学生投身国防工业的情怀和使命感,也成为了教学面临的重要挑战。

2. 由于无人机集群实验成本高、空域申请难、实验风险大等一系列因素,相关实验教学必须依托虚拟仿真技术展开。

无人机集群技术实验教学面临严重困难。具体包括:

①集群节点数量多,实验成本高。

②集群覆盖范围广,空域申请难。根据我国《民用无人机驾驶员管理规定》,操控无人机的重量和飞行高度超过一定范围,驾驶员需要持有无人机执照,而师生均难以达到该要求。同时,我国虽然已经颁布了《民用无人驾驶航空器系统空中交通管理办法》,但无人机集群飞行空域申请标准和办法尚未完全明确。事实上,在高等学校所在的城镇区域,难以找到可用于大规模无人机集群实验的安全空域。

③易发坠机等事故,实验风险大。在无人机间通信被干扰、组网协议或群体协同算法设计不合理的情况下,无人机失控将导致严重的安全事故。即使针对单架多旋翼无人机开展装配和PID调参教学实验,也存在着较大风险。在装配失误、PID参数设置不合理、操控不熟练等多种情况下,多旋翼无人机易发坠机事故,危及学生安全。

因此,开展无人机集群虚拟仿真实验教学具有极强的必要性和迫切性。

设计原则

无人机集群是航空和信息高度交叉融合的科技前沿,已成为国防领域的研究热点,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,团队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,为《无人机集群技术》课程自主研发了多旋翼无人机装配与群体协同虚拟仿真实验项目。

首先,坚持以学生为中心的教学理念,实验方案采用了问题导向的设计方法,实验情景吸引力强,有利于调动学生的学习兴趣和积极性。

第二,本实验通过环环相扣的3个实验环节,将知识学习和能力提升有机融合,引导学生通过容错探究式的实验过程得到个性化的实验结果,培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的思维方式

第三,本实验的挑战度高,实验知识点源于课堂,但实验内容来源于无人机集群技术领域的前沿,实验仿真程序和模拟数据均来源于科研中的实际程序和实测数据。在实验前,学生需要通过本实验提供的“在线知识角”,对相关领域的知识进行学习。

第四,本实验将立德树人融入教学全过程。近年来,无人机集群成为了中国和美国等军事强国竞相发展的热点。目前,中国电科电子科学研究院已经完成了200架无人机组成的集群试飞实验。我们把相关学习资料均收录在实验项目的在线“知识角”中。学生通过自主学习,深入理解无人机集群技术在国防领域的重要价值。然后进一步通过情景体验式的实验教学过程,潜移默化的激发学生投身国防工业的情怀和使命感。

课程目标

本实验根据《无人机集群技术》课程大纲及关键知识点,结合多旋翼无人机集群的军事应用背景,构建了基于作战想定的虚拟仿真实验情景。以“装配多旋翼无人机并实现群体协同”为任务线索,开展自主容错探究式虚拟仿真实验,达到以下实验目的:

(1)通过多旋翼无人机装配与参数调试实验环节,帮助学生掌握多旋翼无人机组成原理、动力学模型、装配要点及PID控制原理,探究实际工程应用需求导向的多旋翼无人机动力装置设计方法,使学生具备根据多旋翼无人机飞行姿态,分析、判断并调节PID参数的能力。

(2)通过无人机集群链路预算与组网实验环节,帮助学生掌握无线电传播特性、无线通信系统链路预算方法、信道接入控制方法及自组织时分多址协议原理,探究无人机集群网络无线信号冲突解决方案,使学生具备从协议栈分层的角度开展无人机集群网络设计的能力。

(3)通过无人机集群协同与自主避障实验环节,帮助学生掌握基于Boid模型的集群运动原则、基于虚拟力场法的无人机集群拓扑控制和自主避障方法,探究虚拟力场参数对无人机集群性能的影响,使学生具备根据工程实际需求,对无人机集群协同性能进行调整的能力。

本课程旨在帮助学生掌握无人机集群相关的基础理论知识。课堂和实验教学内容重点围绕无人机集群的概念、无人机集群的组成、无人机集群分布式自组网技术、无人机群体协同与控制技术展开。通过本课程的学习,要求学生掌握无人机集群的概念和基本原理,了解无人机集群的通信与组网方式,掌握经典的无人机群体协同算法,培养探究式的思维方式和解决复杂问题的综合能力,为进一步学习后续课程以及从事相关专业的科学研究、工程技术及管理工作提供必备的理论基础。

实验要求

(1)专业与年级要求

本实验属于南京航空航天大学学科拓展课程《无人机集群技术》,该课程面向全校工科专业大三至大四的学生任选。

(2)基本知识和能力要求

由于无人机集群技术是“航空和信息”高度交叉融合的科技前沿,因此本课程的教学内容是跨专业、跨学科、跨能力范畴的交叉融合。本课程的先修课包括本实验教学团队开设的国家精品在线开放课程《无人机设计导论》,以及国际课程《面向物联网的电子技术》(或其他网络技术相关课程)。

学生学习本门课程之前所需掌握的主要能力和知识结构包括:

  • 要求学生初步了解无人机的基本组成和飞行原理。
  • 要求学生掌握基本的无线通信网络原理。

在实际教学中,本实验不仅应用于《无人机集群技术》课程,相关实验环节还应用于团队开设的上述先修课程的实验教学。值得一提的是,由于本项目的知识角提供了大量文献、视频学习资料,因而上述先修课程的学生通过自主学习,也都能较好的完成本实验所有环节的实验任务。



成绩评定

本实验针对考核点设计了实验成绩评价模型。以该模型为基础,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。

每个实验环节的实验成绩评价标准(每环节按100分计算)如下:

一、“多旋翼无人机装配与参数调试”环节(占总成绩30%)

(1)动力系统设计(50分)

1)无人机部件学习(12分)

完成所有部件学习+12分,遗漏一项扣1分;

2)动力装置选配(38分)

飞行时间达标+10分,不达标不得分;

剩余负载达标+9分,不达标不得分;

单程飞行距离达标+10分,不达标不得分;

最大飞行速度达标+9分,不达标不得分。

(2)整机装配调试(50分)

1)旋翼无人机装配(26分)

正确完成无人机装配+26分,GPS安装错误扣3分,螺旋桨安装错误扣3分,其余部件安装错误一项扣2分;

2)PID参数调节(24分)

①参数P调节正确+8分,误差10%以内+6分,误差10%~20%之间+4分,误差20%~30%之间+2分,误差超过30%不得分;

②参数I、D评分标准同参数P。

二、“无人机集群链路预算与组网”环节(占总成绩30%)

(1)无线链路预算(30分)

计算正确+30分,误差5%以内+20分,误差5%~10%之间+10分,误差10%~15%之间+5分,误差超过15%不得分。

(2)机间通信网络(70分)

1)正确完成时帧结构设计+40分,每错误一项扣8分;

2)完成协议性能测试+10分;

3)多选题1,完全正确+10分,部分正确+5分,错误不得分;

4)多选题2,完全正确+10分,部分正确+5分,错误不得分。

三、“无人机集群协同与自主避障”环节(占总成绩40%)

(1)虚拟力场探究(30分)

完成所有类型虚拟力探究+30分,遗漏一项扣6分。

(2)自主协同避障(70分)

1)无人机剩余数量性能指标得分:

(无人机剩余数量/初始无人机总数量)×30分;

2)飞行时间性能指标得分:

①初始无人机数量100架条件下,到达敌方区域的无人机数量小于50架时,不得分;

②到达敌方区域的无人机数量大于50架时,

飞行时间750秒以内+20分,

飞行时间750秒~800秒之间+15分,

飞行时间800秒~850秒之间+10分,

飞行时间850秒~900秒之间+5分,

飞行时间900秒以上不得分;

(3)平均协同系数

0.9以上+10分,

0.8~0.9之间+8分,

0.7~0.8之间+5分,

0.6~0.7之间+3分,

小于0.6不得分;

(4)平均协同效能

20以上+10分,

15~20之间+8分,

10~15之间+5分,

5~10之间+3分,

小于5不得分。

教学团队
  • 雷磊

    雷磊

    教授

    老师介绍:南京航空航天大学电子信息工程学院教授,博导,副院长。先后入选江苏省高校“青蓝工程”中青年学术带头人,江苏省“六大人才高峰”高层次人才,江苏省高校“青蓝工程”优秀青年骨干教师。长期从事无人机集群,航空自组织网络和半实物网络仿真等方向的研究工作。获国防技术发明三等奖和国防科技进步三等奖各1项。获省级和校级教学成果和教学优秀奖励8项。
  • 老师介绍:南京航空航天大学航空学院教授,博导,国家级航空工程实验教学示范中心主任。获得国家教学名师、全国模范教师、享受国务院政府特殊津贴、中航冯如航空科技精英奖、国防科技工业有突出贡献专家等荣誉称号。获国家科技进步二等奖1项,国防科技进步一等奖2项、国家级教学成果7项。国家精品在线开放课程《无人机设计导论》负责人,主编《无人机系统设计导论》、《无人机关键技术》等专著9部。
  • 老师介绍:南京航空航天大学电子信息工程学院教授,博导,国家级电工电子实验教学示范中心主任。国家“万人计划”教学名师。任教育部电工电子基础课程教学指导委员会委员,全国大学生电子设计竞赛专家组成员,教育部本科教学审核评估专家。获得国家级教学成果一等奖1项,江苏省教学成果一等奖2项、二等奖3项,获得省部级科技进步奖和技术发明奖各1项。
  • 郑祥明

    郑祥明

    副教授

    老师介绍:南京航空航天大学航空学院副教授,研究生院副院长。主要从事飞行器总体设计、微型飞行器技术等方面研究。参与完成我国首架微小型自主飞行侦察无人机等多种型号飞行器的研制工作,获国家科技进步奖二等奖1项,国防科技进步一等奖两项。国家精品在线开放课程《无人机设计导论》主讲教师。
  • 蔡圣所

    蔡圣所

    实验师

    老师介绍:南京航空航天大学电子信息工程学院实验师。承担各类实验教学改革项目3项。主要研究方向为无人机集群技术,获得国防技术发明三等奖,南京航空航天大学教学优秀二等奖,指导学生获得2019年江苏省“互联网+”大学生创新创业大赛一等奖。
  • 陆洋

    陆洋

    教授

    老师介绍:陆洋,南京航空航天大学航空学院教授,院长助理。长期从事直升机动力学与控制方面的研究工作。承担并完成国家自然科学基金、国防973、航空预研、航空基金、重点实验室基金等各类科研项目三十余项。获教育部科技进步一等奖、国防科技进步二等。指导本科生科创作品获全国大学生挑战杯竞赛一等奖。江苏省在线开放课程《航空航天概论》负责人。
特别提示
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好的
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