空中机器人方案

0空中机器人技术创新实验室建设方案2016.3.291目录一、建设意义2二、建设规划4三、产品选用7四、配置计划8五、产品介绍8六、空中机器人竞赛工作流程14七、中国机器人大赛空中机器人赛事介绍1521.建设的意义空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，空中机器人是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来，美国以军用空中机器人为导向，快速发展，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，均居世界之首位。对于机器人技术，传统的项目研究范围包含工业机器人、轮式移动机器人、人形双足机器人等。对于空中机器人和水下机器人的研究较少。从技术角度讲，空中机器人在本体结构优化设计、控制算法、可靠性、安全性上有更高的要求，对于传统的机器人研究活动是一个很好的补充。由于该领域涉及GPS导航、视觉定位、传感器融合、飞行控制等领域，具有较高科研价值和创新空间。据了解，顺丰快递正在内测自主研发的八旋翼无人机，预计自主飞行半径约为10公里，飞行相对高度1000米，在四级风以下可以正常起降，最大载重量约3公斤。通过其运载包裹，主要用于偏远地区的配送。此外，身边的无人机话题不胜枚举。随着四旋翼飞机技术的日趋成熟，民用无人机的应用出现井喷式的发展，在航空拍摄、环境检测、电力和管线巡检、物流与农业植保等方面显示了强烈的需求预期。其实也揭示了无人机技术不再是实验室的宠物，而是在工业和消费市场阔步前进，产生越来越大的经济价值。因此，构建空中机器人实验室，并以此为契机，推进空中机器人技术的研究开发，并3逐步推出创新型应用领域，能为社会创造一定的经济价值。随着空中机器人技术的推广，不少学生产生了浓厚的兴趣，并在业余时间开始研究四旋翼等无人机的。其实，空中机器人技术涉及运动学动力学、结构优化设计、可靠性技术、单片机控制器、嵌入式控制系统、传感器、执行器、通信技术、飞行控制技术、GPS导航、机器视觉等一系列理工科基础技术。在时代背景的影响下和开源社区的熏陶下，建立空中机器人技术创新实验室，来正确引导学生通过与课程结合深入研究空中机器人相关技术，将是创新教学的大胆实践。在落实有效使用教学设备，推动学生创新实践方面能发挥巨大的作用。42.建设规划2.1场地建设分4个功能区：A.仿真教学区该区针对刚入门学生进行第一阶段教学，教学任务是：学习无人机基本理论，通过飞行仿真系统，学会飞行基本原理、气流影响矫正、基本起降及手动飞行控制操作等。该区域在安排在室内，尺寸5m*8m以上,适合30人小班教学。需要多台台式计算机的硬件支持。B.室内调试区该区域针对有一定了解基础的学生进行第二阶段教学。教学任务是，熟悉无人机系统，以实验设备为例，了解结构原理，熟悉拆装及标定过程。熟悉控制系统原理及自主飞行程序开发模式及开发过程。并在此基础上，进行飞行控制测试及控制系统调试。该过程使用完整的飞机在测试架上运行。该区域安排在室内，尺寸8m*8m，适合分为6个小组进行分工合作。该阶段，需要无人机开发平台实验设备和专用飞行测试架。5C.室内飞行区该区域主要针对无GPS定位情况下，进行姿态模式手动控制飞行训练和视觉图像追踪导航训练，如进行定高巡线飞行等。该阶段属于技术进阶的阶段。该区域安排在室内，尺寸6m*8m*5m，适合高水平学生轮流测试使用。需要安装防护网等设施。D.室外飞行区该区域主要是在GPS信号的开阔地，进行定点飞行，自主定义航线，完成预定义空中机器人任务动作，该阶段属于技术进阶阶段。该区域安排在室外开阔场地，尺寸30m*30m*50m范围。2.2课程体系建设第一阶段：基础知识要求：A基本空气动力学（概念：升力、阻力、速度、高度、姿态）；B基本操作（控制杆与自由度的关系：有人飞机、无人机）；C基本技能（使用模拟飞行软件进行飞行，会使用航模遥控器）教材：X1北航版《航空航天概论》6X2无线电遥控模型飞机戴氏教学法第二阶段：分系统知识要求：D无人机常用动力系统（电动机、汽油机、涡喷发动机，锂电池）E导航飞控系统（捷联导航系统、自动驾驶仪系统）F载荷系统（航拍载荷、农药喷洒载荷、回收载荷）教材：X3自编（无人机动力、载荷）X4GNSS与惯性及多传感器组合导航系统原理第三阶段：实训和能力目的：G初步掌握测绘航拍作业H初步掌握GPS定位下自主定点飞行控制作业I初步掌握农业喷洒作业J初步掌握基于视觉的多旋翼室内定位应用教材：X5ＡＯＰＡ规定的国内外无人机法规X6部分无人机产品手册73.产品选用经过对比发现，市面上无人机以四旋翼类型为主体，多数是用于消费娱乐的玩具飞机，不具有自主导航能力，及平台开放性。不符合空中机器人特征，不适合用于科学研究及教学，建议选用博创尙和科技出品的SmartFly450四旋翼无人机系统。84.配置计划5.产品介绍SmartFlyTM四旋翼无人机型号：UP-SF450序号名称型号数量单价（元）总价（元）1四旋翼无人机系统（专业版）UP-SF450st2四旋翼无人机系统（标准版）UP-SF451ap3模拟训练系统realfightV74飞行场地5飞行测试架UP-SFCS6电池充电器合计总价：9产品介绍SmartFly无人机是一套用于研究自主飞行控制及自主任务执行的科研平台。它由先进的飞控系统，和强大的自主飞行软硬件构成。通过使用该平台资源，可加快落实高校学生相关综合实践能力的培养训练，或加快推进空中机器人相关项目的研发。利用该平台，使用者可通过开放的系统接口，获取飞机当前的位姿、状态等信息，并通过简单的指令控制飞行动作。通过编程，能快速实现GPS导航定点飞行、视觉导航跟踪飞行等功能。透过系统的无线网络，可实现构建地面站飞行监控系统、无线视频传输、不着陆程序上传等功能。配合使用机载传感器和执行机构，能可靠的实现飞行障碍检测、物体抓取投掷动作等功能。功能特点先进的飞控系统由于飞控系统，使用双层17阶联邦卡尔曼滤波核心算法和ADRC自抗扰控制器，使得该系统能经受在南极高寒、高磁偏的恶劣环境的考验。保证了飞行的安全性和可靠性。用户可通过简单的配置，方便的使用直角坐标/极坐标模式飞行控制、定点飞行、定点环绕、热点跟随、一键归航等功能。系统具有强大的异常情况报警并自动处理功能。比如一旦丢失遥控器信号、低电量运行，会自动归航降落。此外，该系统能够接入AOPA“UCloud”无人机监管系统，为飞机的日常飞行任务提供了安全和法律保障。强大的软硬件体系结构主控制器采用双核ARM架构处理器，搭载Linux操作系统，可通过串口登录、无线网络登录等方式，进行命令行模式或界面模式下的程序开发。在软件上提供检测指令集和控制指令集的程序接口，用户可以在不了解飞行原理的情况下，编程实现可靠的自主飞行控制。在外围设备上，包含了多个摄像头和超声波传感器，用户可以直接在程序用调用。机载2个总线式数字舵机，可用于驱动自动起落架动作。在执行抓取动任务时，起落架可被改装成灵巧手爪。在网络结构上，飞控系统已通过无线网络路由器与主控制器、手机APP实现连接。接入该网络的任意节点可与主控制器进行通信实现交互。在使用方式上，可通过遥控器实现手动/自动飞行控制模式的一键切换。开放的接口飞控系统开放GPS位置、姿态、速度、角速度等飞行数据，这些数据可通过检测指令集方便的获取。在控制指令接口上，用户可以直接实现飞行的速度控制和点位控制。主控制器提供了自定义串口和IO口，用户可根据开放的原理图，自行安装传感器和执行器拓展飞机功能。完善的资源配套的《使用及开发指南》包含了详细的开发步骤和大量的开发案例，能让没有linux开发经验、没有飞行控制经验的人员快速上手，迅速展开的自主飞行控制代码的编写。同时，《实验指导书》能让使用者从基础上了解飞行原理和进行飞行训练等。应用领域飞行操作训练飞机原理、飞控原理的课程教学实践Linux嵌入式系统开发实践平台10机器视觉跟踪及自动控制系统实践空中机器人自主导航、检测、决策、执行技术实践空中巡检、物流机器人科研平台遥控航空拍摄比赛平台技术参数本体轴距：450毫米机身高度：225毫米起飞重量：1200～1500克飞行时间：15～25分钟最大载荷：300克悬停精度垂直：0.5m，水平：2.5m最大旋转角速度俯仰轴：300°/s，航向轴：150°/s最大俯仰角度35°最大上升速度:5m/s最大下降速度:3m/s最大可承受风速10m/s最大航行速度15m/s悬停时间20min（起飞重量1300g）最大飞行高度：4km（受当地法律限制）工作环境温度零下10°C至40°C飞控系统环境适应性通过极地探险考验的核心算法。使用双层17阶联邦卡尔曼滤波和ADRC自抗扰控制器，能工作在南极高寒、高磁偏的恶劣环境下。硬件资源内置wifi模块、电子罗盘、气压计功能特点极坐标模式控制、定点飞行、定点环绕、热点跟随异常情况报警并自动处理功能。丢失遥控器信号、低电量自动归航降落，一键归航功能。能够接入AOPA“UCloud”无人机监管系统开放接口GPS位置、姿态、速度、角速度主控制器CPUCortex-A7双核CPU架构处理器内核，内存1GBDDR3@960MHz内存，接口包含了以太网、USB、串口、GPIO等接口，存储器板载4GBNandFlash和TF卡槽。开放性开放硬件原理图支持二次开发提供开发源代码及函数库11摄像头工作温度0°C~50°C物距60cm阵列尺寸640x480帧率12视角130°图像格式YUVGPS模块GPS模式GPS/GLONASS双模是否包含磁罗盘是超声波模块最大量程8m最小盲区1cm测量精度3mm波束角70°输出接口TTL串口供电电压DC5V数字舵机最大扭矩16Kgf.cm输出转速0.16s/60°供电电压6V~16V分辨率0.32°转动范围0-300°通信波特率1M云台相机及图传系统自由度：2轴1角度范围：负90到正30度轴2角度范围：正负30度是否可伸缩可伸缩相机接口：支持GoPro3/3+/4、JORCAMA4、SJ4000航拍运动摄像机（支持任意PAL制摄像头）相机图像格式：PAL制式，标清640*480相机帧率：30多功能调试器USB转串口支持RS232/TTL串口，用于主控制器串口终端登录调试、传感器调试舵机总线接口用于舵机调试舵机调试软件可直接检测、控制舵机运动。固件升级等。遥控器遥控距离：1.5公里工作频率5.8G信号有效距离2000m视频输出接口Wifi12工作环境温度-10℃到45℃电池3400mAh锂电池移动设备支架支持4.7寸~5.7寸屏手机等效全向辐射功率（EIRP）FCC：20dBmCE：16dBm工作电压3.7V待机时间：2小时控制方式：直角坐标、极坐标是否支持一键返航支持手机APP支持的操作系统iOS，Andriod是否支持设置相机参数支持是否支持航线编辑支持是否支持实时视频播放支持是否可以扩展跟随模块支持选配件测试架（选配）结构自由度6个自由度电源IN：AC220VOUT:DC14.8V充电器（选配）供电电源AC220V100W充电电流6A自动跟随模块（选配）跟随距离100m(距离远空旷地域)跟随模式跟随、环绕模式，支持手机App智能参数配置定位方式定位准GPS/GLONASS双模，10Hz精准定位待机时间连续使用3小时以上模拟软件及控制器（选配）模拟软件realfightV7模拟用遥控器频率：2.400Ghz-2.483Ghz编码方式：2.4GhzDSSS（扩频）+跳频发射功率：≤100mW工作电流：≤190mA电源：3.7V-6V配套资源《使用及开发指南》说明了从飞机的组装、到linux系统配置、QT开发环境、开发过程模式等一系列过程的详细说明，用户可通过根据该书提供的Demo程序案例进行传感器读取、舵机控制、飞行速度控制等调试训练，逐步掌握该平台的开发。《实验指导书》包含四旋翼飞机原理、飞控原理，飞行操作训练等内容。用于课堂教学的实践指导。《产品光盘》产品光盘中除提供零部件使用说明、手机APP、以及案例程序外，还提供13了用于竞赛的Demo程序。程序中包含GPS定点飞行控制、视觉目标跟踪、巡线飞行等源代码。提供给