2020年高職創(chuàng)新無人機(jī)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案

高職創(chuàng)新無人機(jī)實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案

^EHTO

空中機(jī)器人高職實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)室建設(shè)方案

（初稿）

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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(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)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。當(dāng)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，并迅速成為當(dāng)前國際上研究的熱點(diǎn)

之一，越來越多的人員對其研究以及學(xué)習(xí)。

中國從事無人機(jī)行業(yè)的單位有300多家，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。當(dāng)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，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?/p>

當(dāng)前，中國民用無人機(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。中國民用無人機(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)特別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

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行各業(yè)，特別中國無人機(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，

中國需要的無人機(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(shí)驗(yàn)，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)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)顯得尤為重要。

本方案根據(jù)高等學(xué)校的特點(diǎn)，結(jié)合本公司產(chǎn)品情況進(jìn)行設(shè)計，實(shí)驗(yàn)室設(shè)施不

但能夠滿足各種專業(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(shí)訓(xùn)實(shí)踐，到飛行器模擬飛行，再到真實(shí)飛行以及全

部過程，以及以無人機(jī)為平臺的研發(fā)和其它項(xiàng)目的探索，還能夠滿足單片機(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(xiàng)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(shí)踐創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)目標(biāo)

建設(shè)具有特色的空中機(jī)器人實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)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)。

教師能夠依托實(shí)驗(yàn)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(xiàng)目的研發(fā)，促進(jìn)學(xué)校科研能力和教學(xué)能力的提升，為學(xué)校的教學(xué)發(fā)展

不但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(shí)驗(yàn)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，經(jīng)過空中機(jī)器人實(shí)踐創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)學(xué)生動手實(shí)踐能

力、邏輯分析能力并提高對理論知識的理解，同時能夠進(jìn)行學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計項(xiàng)目。

另外，近年來大學(xué)生競賽數(shù)量、種類越來越多，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(shí)驗(yàn)室的建設(shè)能夠完善空中機(jī)器人競賽人員培訓(xùn)

和選拔體系，不但能更進(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

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才隊(duì)伍。同時社會上無人機(jī)相關(guān)人才缺口很大，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室具備一下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

1）建設(shè)具有特色的空中機(jī)器人開發(fā)實(shí)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(duì)；

3）建立可復(fù)制推廣的空中機(jī)器人開發(fā)實(shí)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(xiàng)目的發(fā)展和對無人機(jī)及相關(guān)行業(yè)人才的輸出。

理論深入與實(shí)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(shí)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(duì)伍教學(xué)能力的同時，在培養(yǎng)學(xué)生、創(chuàng)新精神和實(shí)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(shí)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，而且在自己的產(chǎn)品中提供了各種二次開發(fā)的功能。

2、強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)體系搭建的教學(xué)需求。無人機(jī)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室首先要滿足高校教

學(xué)的第一需求，因此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(shí)驗(yàn)平臺，并建

立豐富的可滿足學(xué)校教學(xué)的實(shí)驗(yàn)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(xiàng)重要技術(shù)。傳感技術(shù)是讓

空中機(jī)器人實(shí)現(xiàn)某一功能的一個基礎(chǔ)技術(shù)，為空中機(jī)器人實(shí)現(xiàn)所需要的功能奠

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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，特別是在當(dāng)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

般本科、?？平虒W(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(diǎn)太多，學(xué)生分身乏術(shù)。中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(shí)用情況，以案例帶動教學(xué)和在實(shí)

際的應(yīng)用中讓學(xué)生更深入的了解所學(xué)所想更適合當(dāng)前中國各種相關(guān)學(xué)科和專業(yè)

的教學(xué)實(shí)際情況。因此，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(shí)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(shí)訓(xùn)。

一、實(shí)驗(yàn)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)生能夠動手將所有部件按照實(shí)

驗(yàn)指導(dǎo)書組裝成一架完整的無人機(jī)，也能夠自行設(shè)計部分外觀和結(jié)構(gòu)，經(jīng)過3D

打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過組裝讓學(xué)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)

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室提供的開源飛行控制器系統(tǒng)和其它解決方案，學(xué)生能夠針對科研

項(xiàng)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。

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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)

2.2Hawk2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

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4.8M24128EEPROM的讀取

4.9PWM采集

4.10PWM輸出

4.11ESP8266Wi-Fi使用

4.12MicroSD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(shí)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(shí)驗(yàn)

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(xiàng)目主要器材

>Enzo2vl.O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）

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＞Hawk3飛行平臺（電子設(shè)計競賽產(chǎn)品）

＞ENZO飛行平臺（電子設(shè)計競賽產(chǎn)品）

＞HawkA飛行平臺

＞附屬教材書籍

＞3D打印機(jī)

＞無人機(jī)室內(nèi)飛行測試場地

＞PCB制板設(shè)備

＞W(wǎng)indows版無人機(jī)助手（PC地面站）軟件

＞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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室?guī)熒M(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用前培訓(xùn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備

使用中問題進(jìn)行解決，針對科研項(xiàng)目和比賽項(xiàng)目進(jìn)行方向指引和一定

的技術(shù)指導(dǎo)和后續(xù)的技術(shù)支持。

?HTHawk-2開源飛行控制器提供資料

＞快速入門指南

＞使用說明書

＞配套軟件和驅(qū)動程序

＞姿態(tài)解算資料

＞安裝視頻教程

＞相關(guān)例程

＞實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

＞Keil版代碼

Enzo開源飛行控制器提供資料

＞快速入門指南

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＞使用說明書

＞配套軟件和驅(qū)動程序

＞姿態(tài)解算資料

＞安裝視頻教程

＞開放SDK和Keil版代碼

?HTHawk-A開源飛行控制器提供資料

＞快速入門指南

＞使用說明書

＞配套軟件和驅(qū)動程序

＞姿態(tài)解算資料

＞安裝視頻教程

＞PIX原版代碼

＞Keil版代碼

?HT-X4-453-407系列飛行器開發(fā)板提供資料

＞快速入門指南

＞使用說明書

＞配套軟件和驅(qū)動程序

＞安裝視頻教程

＞相關(guān)例程

六、HawkA飛行控制器介紹

本公司為實(shí)驗(yàn)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

?HTHawk-A開源飛行控制外觀

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HTHawk-A開源飛行控制器簡介

HTHawk-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，同時支持PIX固件，支持

四、六、八旋翼飛行器和其它種類的飛行器，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(yàn)。

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n主要特征

開放源代碼，支持二次開發(fā)，兼容PIXHAWK固件

a支持多旋翼及直升機(jī)、固定翼等九種飛行平臺

^.強(qiáng)大的地面站系統(tǒng)

o最優(yōu)姿態(tài)算法

~v精確定點(diǎn)懸停

i支持S-BUS、PPM、PWM接收機(jī)

+內(nèi)置減震氣囊，無需額外考慮減震

失控保護(hù)

低電壓報警及保護(hù)

全球首個雙傳感器系統(tǒng)的開源飛控

支持十五種飛行模式：自穩(wěn)、定高、定點(diǎn)、懸停、漂移、運(yùn)動、特技、繞圈、E嬲、

返航、降落、引導(dǎo)、自動、簡單模式、超級簡單模式

?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）

?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

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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■15-35℃

工作濕度10%-90%

貯存溫度-25~40℃

貯存濕度10%-95%

?硬件規(guī)格

?飛行特征

最大傾斜角35度

最大偏航速度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(diǎn)數(shù)255

抗風(fēng)能力4級

處理器STM32F427VIT6(32BitARMCortex-M4F,180MHz/252

MIPS,帶浮點(diǎn)運(yùn)算器)

協(xié)處理器STM32F103VCT6(32BitARMCortex-M3,72MHz)

RAM256KB

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FLASH2MB

加速度計MPU6000

地磁傳感器STLSM303D

陀螺儀芯片STL3GD20H

氣壓計MEASMS5611

顯示屏OLED顯示屏

指示燈全色LED智能指示燈

USB接口MicroUSB接口，USB虛擬串口，能夠當(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MicroSD卡接口

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四、Hawk2飛行控制器介紹

?HTHawk-2開源飛行控制器簡介

HTHawk-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

飛行器和其它種類的飛行器，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(yàn)。

Hawk2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。

?HTHawk-2開源飛行控制器外觀

?重量與尺寸

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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）

?基本參數(shù)

支持飛行器類型四軸、六軸

最邙限件規(guī)格1200mm

名稱規(guī)格

6

處理器STM32F103VCT6(32BitARMCortex-M3,72MHz)

加速度計MPU6050

4./Q.3V

地磁傳感器HMC5883L

曲開||小趕

氣壓計MS5611

-A-IrinnAX.---22X-Z

FLASH芯片M24128-BWDW6TP

丁佐源府ino4.ono4

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

貯存濕度10%?95%

USB接口MicroUSB接口，USB虛擬串口，能夠當(dāng)做串口使用

通信聶不行取■c接匚

入GPS接口、Radio接口、SONAR接口

WI-FIESP8266

懿隼螭度出咋度/秒

Microf

懸停精度-

最大垂直速度5米/秒

最大水平速度10.2米/秒

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最大航點(diǎn)數(shù)

抗風(fēng)能力4級

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五、HT-500B四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺基本介紹

?HT-500B四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺基本配置

部件參數(shù)名稱規(guī)格備注

型號HT450T

機(jī)架對稱電機(jī)軸距450mm

單臂長度185mm

型號HT2212-920KV

定子尺寸25*25mm

電機(jī)

KV值920rpm/V

重量35g

型號好盈樂天

工作電流30A

工作電壓3SLIPO

電調(diào)

兼容信號頻率30-450Hz

驅(qū)動PWM頻率8KHz

重量（含散熱器）25g

材質(zhì)碳纖維

螺旋槳尺寸1047

重量9g

控制器型號HT-HawkAvl.30可選Hawk2

主板型號HT-X4-453-N12

拓展型號HT-PW5167

模塊顯示屏OLED128*64分辨率

下位HT-RD433A

數(shù)傳

上位HT-RD433A+HT-UT212A

電源型號HT-PW125A

型號3S動力鋰電池

電池

容量3S/5200mAH

GPS型號M8N可選型號

型號AT9

遙控器電源2S1200mAH/30C可選型號

通道數(shù)量9通道

充電器類型3S平衡充電器

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HT-500B四旋翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺基本參數(shù)

項(xiàng)目規(guī)格

整機(jī)自重1.40kg

最