高職創(chuàng)新無人機(jī)實訓(xùn)室建設(shè)方案

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上空中機(jī)器人高職實踐創(chuàng)新實訓(xùn)室建設(shè)方案（初稿）河北恒拓電子科技有限公司2017年8月17日一、背景空中機(jī)器人又叫無人機(jī)，近年來在軍用機(jī)器人家族中，無人機(jī)是科研活動最活躍、技術(shù)進(jìn)步最大、研究及采購經(jīng)費(fèi)投入最多、實戰(zhàn)經(jīng)驗最豐富的領(lǐng)域。近些年來，空中機(jī)器人從軍用走向了民用，同時也衍生出了多種多樣的形態(tài)和用途。目前使用最為廣泛的是多旋翼飛行器，多旋翼飛行器以其簡單的結(jié)構(gòu)、超強(qiáng)的機(jī)動性、獨(dú)特的飛行方式以及軍事和民事領(lǐng)域展現(xiàn)出的巨大應(yīng)用價值，引起了國內(nèi)外學(xué)者以及科研機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，并迅速成為目前國際上研究的熱點之一，越來越多的人員對其研究以及學(xué)習(xí)。我國從事無人機(jī)行業(yè)的單位有300多

2、家，其中規(guī)模比較大企業(yè)有160家左右，形成了配套齊全的研發(fā)、制造、銷售和服務(wù)體系。目前在研和在用的無人機(jī)型多達(dá)上百種，小型無人機(jī)技術(shù)逐步成熟，戰(zhàn)略無人機(jī)已試飛，攻擊無人機(jī)也已多次成功試射空地導(dǎo)彈。 中國2014年無人機(jī)銷量約2萬架，預(yù)計到2020年中國無人機(jī)年銷量將達(dá)到29萬架。未來幾年將保持50以上的增長，2014年中國民用無人機(jī)銷售規(guī)模已經(jīng)達(dá)到40億元。從發(fā)展前景來看，無人機(jī)已經(jīng)應(yīng)用在航拍、快遞、災(zāi)后搜救、數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，表明無人機(jī)的發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｄ壳?，我國民用無人機(jī)共有130余家研制單位和15000架使用量，民用無人機(jī)的種類也逐漸豐富，包括固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)、飛艇無人機(jī)等。而上述成

3、果，在很大程度上是高空、高速、中遠(yuǎn)程、長航時、大載荷等軍用無人機(jī)技術(shù)逐漸向民用“滲透”的結(jié)果。我國民用無人機(jī)研制單位分為兩類：一類是軍工集團(tuán)下屬單位和科研院所；二是越來越多民企開始涉足無人機(jī)研制。二、理念和必要性隨著無人機(jī)尤其是多旋翼飛行器技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)的用途已經(jīng)深入各行各業(yè)，尤其我國無人機(jī)行業(yè)發(fā)展速度很快，對于人才的需求急劇增加，據(jù)估算，我國2018年需要的無人機(jī)操作維護(hù)人員至少達(dá)到20萬人。無人機(jī)技術(shù)教育教學(xué)將更顯得尤為重要。面對不斷發(fā)展的技術(shù)和市場需求，高校應(yīng)當(dāng)緊隨技術(shù)潮流，開設(shè)更多的適應(yīng)社會發(fā)展需求的課程與實驗，培養(yǎng)更多的單片機(jī)與無人機(jī)技術(shù)人才以及技術(shù)學(xué)科更好的建設(shè)，無人機(jī)創(chuàng)新

4、實驗室建設(shè)顯得尤為重要。本方案根據(jù)高等學(xué)校的特點，結(jié)合本公司產(chǎn)品情況進(jìn)行設(shè)計，實驗室設(shè)施不僅可以滿足各種專業(yè)學(xué)生從電路、單片機(jī)技術(shù)入門，結(jié)合自己在課堂上學(xué)到的理論知識，從空中機(jī)器人技術(shù)實訓(xùn)實踐，到飛行器模擬飛行，再到真實飛行以及全部過程，以及以無人機(jī)為平臺的研發(fā)和其他項目的探索，還可以滿足單片機(jī)、嵌入式相關(guān)課程教學(xué)與開發(fā)的需求，亦可滿足高校相關(guān)項目、課題的研究，還更好的促進(jìn)了學(xué)科建設(shè)的發(fā)展，做到即增加學(xué)校的科研能力又促進(jìn)了學(xué)科建設(shè)更培養(yǎng)了一批高素質(zhì)的學(xué)生，可謂一舉三得。三、 空中機(jī)器人實踐創(chuàng)新實驗室建設(shè)目標(biāo) 建設(shè)具有特色的空中機(jī)器人實踐創(chuàng)新實訓(xùn)室，以此為依托促進(jìn)學(xué)校的學(xué)科建設(shè)和增強(qiáng)學(xué)校的研發(fā)能

5、力，培養(yǎng)空中機(jī)器人優(yōu)秀人才，為社會輸送更多的無人機(jī)應(yīng)用人才，同時開展空中機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)教育教學(xué)的研究和研發(fā)。教師可以依托實驗室的硬件以及技術(shù)環(huán)境進(jìn)行課程設(shè)計，進(jìn)一步完善學(xué)科建設(shè)和相關(guān)項目的研發(fā)，促進(jìn)學(xué)?？蒲心芰徒虒W(xué)能力的提升，為學(xué)校的教學(xué)發(fā)展不僅硬件方面得到提升還能增進(jìn)學(xué)生的動手和思考能力。在憑借恒拓系列開源系列空中機(jī)器人等相關(guān)技術(shù)支持環(huán)境下，搭建軟件、硬件和通信平臺，學(xué)生在實驗教師的指導(dǎo)下，將嵌入式理論知識、電子技術(shù)知識與社會發(fā)展技術(shù)需求對接，通過空中機(jī)器人實踐創(chuàng)新實驗室實現(xiàn)學(xué)生動手實踐能力、邏輯分析能力并提高對理論知識的理解，同時可以進(jìn)行學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計項目。另外，近年來大學(xué)生競賽數(shù)量、種

6、類越來越多，其中空中機(jī)器人的有關(guān)競賽也越來越受廣大高校的歡迎，實驗室的建設(shè)可以完善空中機(jī)器人競賽人員培訓(xùn)和選拔體系，不僅能更進(jìn)一步增加學(xué)校的科研能力還能培養(yǎng)一批高素質(zhì)技能人才隊伍。同時社會上無人機(jī)相關(guān)人才缺口很大，實驗室系統(tǒng)的培養(yǎng)定向人才，校企緊密合作，為市場輸出高水平的人才。簡單概括創(chuàng)新實驗室具備一下幾點優(yōu)勢：1）建設(shè)具有特色的空中機(jī)器人開發(fā)實踐平臺；2）建立高水平的空中機(jī)器人研發(fā)教師學(xué)生團(tuán)隊；3）建立可復(fù)制推廣的空中機(jī)器人開發(fā)實踐開發(fā)課程體系；4）完善空中機(jī)器人等相關(guān)專業(yè)的建設(shè)；5）參加各類相關(guān)競賽并爭取優(yōu)異成績，增強(qiáng)學(xué)校的知名度。6）促進(jìn)學(xué)校相關(guān)教育科研項目的發(fā)展和對無人機(jī)及相關(guān)行業(yè)人才

7、的輸出。理論深入與實踐結(jié)合是高等院校教學(xué)體系的重要部分，空中機(jī)器人創(chuàng)新實訓(xùn)室作為高職院校教學(xué)、科研和研發(fā)的重要基地，肩負(fù)著為教學(xué)、科研和競賽提供保證的任務(wù)，增強(qiáng)教師隊伍教學(xué)能力的同時，在培養(yǎng)學(xué)生、創(chuàng)新精神和實踐能力方面有著不可替代的作用，同時也是學(xué)校辦學(xué)實力的標(biāo)志，以及教學(xué)水平、科研水平和管理水平的重要體現(xiàn)。 方案1、 空中機(jī)器人是嵌入式、傳感器、單片機(jī)、圖像處理等一系列技術(shù)的一個具體應(yīng)用，嵌入式技術(shù)是無人機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)，恒拓是單片機(jī)技術(shù)方案應(yīng)用的先行者。恒拓科技在自己的空中機(jī)器人中各處均體現(xiàn)了各種技術(shù)的綜合應(yīng)用，并且在自己的產(chǎn)品中提供了各種二次開發(fā)的功能。 2、 強(qiáng)調(diào)實驗體系搭建的教學(xué)

8、需求。無人機(jī)創(chuàng)新實驗室首先要滿足高校教學(xué)的第一需求，所以平臺不只是簡單的硬件合成，要求所有硬件驅(qū)動暢通的前提下，既能滿足單個方面的教學(xué)和科技需要，又能建立綜合的技術(shù)實驗平臺，并建立豐富的可滿足學(xué)校教學(xué)的實驗體系，恒拓本著服務(wù)于教育，提高學(xué)生品質(zhì)宗旨，了解高校教學(xué)需求，強(qiáng)調(diào)軟硬兼顧，綜合發(fā)展。 3、 傳感器技術(shù)是未來各個只能領(lǐng)域應(yīng)用的一項重要技術(shù)。傳感技術(shù)是讓空中機(jī)器人實現(xiàn)某一功能的一個基礎(chǔ)技術(shù)，為空中機(jī)器人實現(xiàn)所需要的功能奠定了基礎(chǔ)，因此傳感器在空中機(jī)器人上的應(yīng)用顯得更加突出，特別是在目前很多行業(yè)都趨向于工業(yè)化的背景下。 4、 空中機(jī)器人是一個面向應(yīng)用的、多學(xué)科的綜合技術(shù)，應(yīng)用市場巨大。一般本

9、科、專科教學(xué)應(yīng)更強(qiáng)調(diào)應(yīng)用，而不是過多的強(qiáng)調(diào)傳感器、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)，否則知識點太多，學(xué)生分身乏術(shù)。我國一般院校更多的應(yīng)該著重發(fā)展應(yīng)用教學(xué)，多了解應(yīng)用案例以及多方面的實用情況，以案例帶動教學(xué)和在實際的應(yīng)用中讓學(xué)生更深入的了解所學(xué)所想更適合目前中國各種相關(guān)學(xué)科和專業(yè)的教學(xué)實際情況。所以，恒拓的解決方案中除了在無人機(jī)自身的設(shè)計和應(yīng)用外，更強(qiáng)調(diào)實際行業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)中以及學(xué)術(shù)研究中應(yīng)用實訓(xùn)。一、 實驗室的區(qū)域及功能1） 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計區(qū)提供所有的零部件，同時配備3D打印機(jī)，學(xué)生可以動手將所有部件按照實驗指導(dǎo)書組裝成一架完整的無人機(jī)，也可以自行設(shè)計部分外觀和結(jié)構(gòu)，通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)。通過組裝讓學(xué)

10、生熟悉無人機(jī)結(jié)構(gòu)與原理，了解相關(guān)組成部件。2） 維護(hù)與飛行區(qū)將組裝好的飛機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和校準(zhǔn)，對機(jī)架、電池、螺旋槳、電機(jī)、電調(diào)、飛行控制器以及遙控器等進(jìn)行維護(hù)，提高學(xué)生對飛機(jī)的進(jìn)一步認(rèn)識和對自身能力的提升。3） 調(diào)試和儀器區(qū)當(dāng)飛行器出現(xiàn)鼓掌無法正常工作時，學(xué)生借助相關(guān)測試儀器，快速判斷出故障位置并進(jìn)行響應(yīng)修理，突出鍛煉學(xué)生的動手和思考能力。4） 研發(fā)區(qū)通過實驗室提供的開源飛行控制器系統(tǒng)和其他解決方案，學(xué)生可以針對科研項目、學(xué)科競賽進(jìn)行二次開發(fā)，對后續(xù)的教學(xué)和競賽發(fā)展做出鋪墊以及對學(xué)生能力質(zhì)的提升有著不可或缺的作用。二、 培訓(xùn)大綱本培訓(xùn)大綱對不同階段不同能力的同學(xué)學(xué)習(xí)上設(shè)置了對等的培訓(xùn)內(nèi)容對各個

11、學(xué)生不同時間的自身發(fā)展有著重要的引導(dǎo)作用。一）、初級階段1多旋翼飛行器工作原理1.1多旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式1.2多旋翼飛行器的工作原理2多旋翼飛行器結(jié)構(gòu)與組裝2.1多旋翼飛行器的部件與結(jié)構(gòu)2.2Hawk 2飛行控制器詳解2.3飛行器的組裝3飛行器的調(diào)試及起飛3.1調(diào)試軟件3.2飛行器的校準(zhǔn)3.3飛行安全指引3.4起飛前的準(zhǔn)備二、中級階段4基于STM32的基礎(chǔ)程序開發(fā)4.1開發(fā)環(huán)境簡介4.2單色及三色LED顯示4.3OLED顯示4.4USB虛擬串口的使用4.5讀取MPU6050的數(shù)據(jù)4.6讀取HMC5883L羅盤數(shù)據(jù)4.7MS5611氣壓數(shù)據(jù)讀取4.8M24128 EEPROM的讀取4.9PWM

12、采集4.10PWM輸出4.11ESP8266 Wi-Fi使用4.12Micro SD卡讀寫4.13A/D電壓采集4.14超聲波數(shù)據(jù)采集和測距4.15GPS數(shù)據(jù)采集4.16無線串口使用三、高級階段5高級飛行算法的設(shè)計與實現(xiàn)5.1姿態(tài)解算算法概述5.2旋轉(zhuǎn)矩陣5.3四元數(shù)5.4IMUupdata算法解析5.5IMU姿態(tài)解算5.6串級PID實驗5.7飛行程序6飛行器的調(diào)試及起飛6.1調(diào)試軟件6.2飛行器的校準(zhǔn)6.3飛行安全指引6.4起飛前的準(zhǔn)備三、 項目主要器材Ø Enzo2 v1.0飛行平臺（ENZO+機(jī)械爪的四旋翼競賽用機(jī)，為華北五省機(jī)器人大賽官方推薦產(chǎn)品）Ø Hawk 3飛

13、行平臺（2017電子設(shè)計競賽產(chǎn)品）Ø ENZO飛行平臺（2015電子設(shè)計競賽產(chǎn)品）Ø HawkA飛行平臺Ø 附屬教材書籍Ø 3D打印機(jī)Ø 無人機(jī)室內(nèi)飛行測試場地Ø PCB制板設(shè)備Ø Windows版無人機(jī)助手（PC地面站）軟件Ø Android/IOS版無人機(jī)助手（手機(jī)地面站）軟件以上器材及資料為空中機(jī)器人創(chuàng)新實驗室標(biāo)準(zhǔn)配備，用戶可結(jié)合本單位需求，進(jìn)行增減。我公司除提供上述所有器材外，另負(fù)責(zé)上述器材的安裝調(diào)試，對實驗室?guī)熒M(jìn)行實驗設(shè)備使用前培訓(xùn)，實驗設(shè)備使用中問題進(jìn)行解決，針對科研項目和比賽項目進(jìn)行方向指引和一定的

14、技術(shù)指導(dǎo)和后續(xù)的技術(shù)支持。l HT Hawk-2開源飛行控制器提供資料Ø 快速入門指南Ø 使用說明書Ø 配套軟件和驅(qū)動程序Ø 姿態(tài)解算資料Ø 安裝視頻教程Ø 相關(guān)例程Ø 實驗指導(dǎo)書Ø Keil版代碼Enzo開源飛行控制器提供資料Ø 快速入門指南Ø 使用說明書Ø 配套軟件和驅(qū)動程序Ø 姿態(tài)解算資料Ø 安裝視頻教程Ø 開放SDK和Keil版代碼l HT Hawk-A開源飛行控制器提供資料Ø 快速入門指南Ø 使用說明書Ø 配套軟件和

15、驅(qū)動程序Ø 姿態(tài)解算資料Ø 安裝視頻教程Ø PIX原版代碼Ø Keil版代碼l HT-X4-453-407系列飛行器開發(fā)板提供資料Ø 快速入門指南Ø 使用說明書Ø 配套軟件和驅(qū)動程序Ø 安裝視頻教程Ø 相關(guān)例程六、Hawk A飛行控制器介紹本公司為實驗室建設(shè)配備了一系列的產(chǎn)品，一下是針對一些產(chǎn)品的介紹和說明l HT Hawk-A開源飛行控制外觀HT Hawk-A開源飛行控制器簡介HT Hawk-A是一款適用于多旋翼飛行器的開源飛行控制系統(tǒng)，使用Cortex M4核心，配有協(xié)處理器，功能更強(qiáng)大，性能更可靠，

16、同時支持PIX固件，支持四、六、八旋翼飛行器和其他種類的飛行器，是為飛行器愛好者們開發(fā)的一套高品質(zhì)開源自動駕駛系統(tǒng)，給用戶提供卓越的飛行體驗。主要特征l 重量與尺寸名稱規(guī)格主控尺寸長*寬*高 73mm*33mm*15mm（主控，不含外殼）重量14g（不含外殼、拓展模塊和OLED顯示屏）l 基本參數(shù)支持飛行器類型四軸、六軸、八軸、最大軸距1500mm支持電調(diào)類型490Hz以下PWM電調(diào)最大輸出通道14支持接收機(jī)類型S.BUS、PPM、PWM工作電壓4.7-5.5v典型功耗0.65W工作溫度-1535工作濕度10%-90%貯存溫度-2540貯存濕度10%-95%l 飛行特征最大傾斜角35度最大偏航

17、速度100度/秒懸停精度水平±1.5米，垂直±0.5米最大垂直速度6米/秒最大水平速度20米/秒最大航點數(shù)255抗風(fēng)能力4級l 硬件規(guī)格處理器 STM32F427VIT6（32Bit ARM Cortex-M4F，180MHz/252 MIPS，帶浮點運(yùn)算器） 協(xié)處理器 STM32F103VCT6（32Bit ARM Cortex-M3，72MHz） RAM 256KB FLASH 2MB 加速度計 MPU6000 地磁傳感器 ST LSM303D 陀螺儀芯片 ST L3GD20H 氣壓計 MEASMS5611 顯示屏 OLED顯示屏 指示燈 全色LED智能指示燈 USB接

18、口 Micro USB接口，USB虛擬串口，可以當(dāng)做串口使用 通信接口 GPS接口，數(shù)傳接口，電子羅盤 信號輸入 支持S.BUS、PPM、PWM信號輸入 電源 外置安全開關(guān)；二極管防反接； 自恢復(fù)保險絲；電源電感濾波；USB輸入靜電保護(hù) 存儲卡接口 Micro SD卡接口 四、 Hawk 2飛行控制器介紹l HT Hawk-2開源飛行控制器簡介HT Hawk-2是一款適用于多旋翼飛行器的開源飛行控制系統(tǒng)，使用Cortex M3核心，功能更強(qiáng)大，性能更可靠，同時支持PIX固件，支持四、六、八旋翼飛行器和其他種類的飛行器，是為飛行器愛好者們開發(fā)的一套高品質(zhì)開源自動駕駛系統(tǒng)，給用戶提供卓越的飛行體驗

19、。Hawk 2飛行控制器采用STM32F103VCT6主控，配置為STM32F103VCT6 + MPU6050 + HMC5883L + MS5611， 支持Wi-Fi無線透傳模式，支持Micro SD/TF卡飛行日志存儲，支持HentoGCS恒拓地面站，支持超聲波定高，提供十九個開源代碼例程，提供配套書籍。l HT Hawk-2開源飛行控制器外觀l 重量與尺寸名稱 主控尺寸長*寬*高 63mm*33mm*8mm（不含外殼和OLED顯示屏）重量14g（不含外殼和OLED顯示屏）l 基本參數(shù)支持飛行器類型四軸、六軸最大軸距1200mm支持電調(diào)類型490Hz以下PWM電調(diào)最大輸出通道6支持接收機(jī)

20、類型PWM工作電壓4.7-5.5v典型功耗0.67W工作溫度-1535工作濕度10%-90%貯存溫度-2540貯存濕度10%-95%l 飛行特征最大傾斜角30度最大偏航速度100度/秒懸停精度-最大垂直速度5米/秒最大水平速度10.2米/秒最大航點數(shù)-抗風(fēng)能力4級l 硬件規(guī)格 名稱 規(guī)格 處理器 STM32F103VCT6（32Bit ARM Cortex-M3，72MHz） 加速度計 MPU6050 地磁傳感器 HMC5883L 氣壓計 MS5611 FLASH芯片 M24128-BWDW6TP 顯示屏 可選OLED顯示屏（提供12864顯示屏接口） 指示燈 全色LED智能指示燈 USB接口

21、 Micro USB接口，USB虛擬串口，可以當(dāng)做串口使用 通信接口IIC接口、GPS接口、Radio接口、SONAR接口WI-FIESP8266存儲卡接口Micro SD卡五、 HT-500B四旋翼飛行器實驗平臺基本介紹l HT-500B四旋翼飛行器實驗平臺基本配置部件參數(shù)名稱規(guī)格備注機(jī)架型號HT450T對稱電機(jī)軸距450mm單臂長度185mm電機(jī)型號HT2212-920KV定子尺寸25*25mmKV值920rpm/V 重量35g電調(diào)型號好盈樂天工作電流30A工作電壓3S LIPO兼容信號頻率30-450Hz驅(qū)動PWM頻率8KHz重量(含散熱器)25g螺旋槳材質(zhì)碳纖維尺寸1047重量9g控制器型號HT-Hawk A v1.30可選Hawk2主板型號HT-X4-453-N12