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1、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
2、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
3、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
4、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。
