（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。

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。

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。

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。

阶段一：“多旋翼无人机装配与参数调试”环节（占总成绩30%）

阶段二：无人机集群链路预算与组网（占总成绩30%）

阶段三：无人机集群协同与自主避障（占总成绩40%）

实验总得分: