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1、 空中机器人高职实践创新实训室建设方案 （初稿） 河北恒拓电子科技有限公司 2017年8月17日 一、背景 空中机器人又叫无人机，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、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。 近些年来，空中机器人从军用走向了民用，同时也衍生出了多种多样的形态和用途。目前使用最为广泛的是多旋翼飞行器，多旋翼飞行器以其简单的结构、超强的机动性、独特的飞行方式以及军事和民事领域展现出的巨大应用价值，引起了国内外学者以及科研机构的广泛关
2、注，并迅速成为目前国际上研究的热点之一，越来越多的人员对其研究以及学习。 我国从事无人机行业的单位有300多家，其中规模比较大企业有160家左右，形成了配套齐全的研发、制造、销售和服务体系。目前在研和在用的无人机型多达上百种，小型无人机技术逐步成熟，战略无人机已试飞，攻击无人机也已多次成功试射空地导弹。 中国2014年无人机销量约2万架，预计到2020年中国无人机年销量将达到29万架。未来几年将保持50％以上的增长，2014年中国民用无人机销售规模已经达到40亿元。从发展前景来看，无人机已经应用在航拍、快递、灾后搜救、数据采集等领域，表明无人机的发展潜力巨大。 目前，我国民用无人机
3、共有130余家研制单位和15000架使用量，民用无人机的种类也逐渐丰富，包括固定翼无人机、旋翼无人机、飞艇无人机等。而上述成果，在很大程度上是高空、高速、中远程、长航时、大载荷等军用无人机技术逐渐向民用“渗透”的结果。我国民用无人机研制单位分为两类：一类是军工集团下属单位和科研院所；二是越来越多民企开始涉足无人机研制。 二、理念和必要性 随着无人机尤其是多旋翼飞行器技术的不断发展，无人机的用途已经深入各行各业，尤其我国无人机行业发展速度很快，对于人才的需求急剧增加，据估算，我国2018年需要的无人机操作维护人员至少达到20万人。无人机技术教育教学将更显得尤为重要。面对不断发展的
4、技术和市场需求，高校应当紧随技术潮流，开设更多的适应社会发展需求的课程与实验，培养更多的单片机与无人机技术人才以及技术学科更好的建设，无人机创新实验室建设显得尤为重要。 本方案根据高等学校的特点，结合本公司产品情况进行设计，实验室设施不仅可以满足各种专业学生从电路、单片机技术入门，结合自己在课堂上学到的理论知识，从空中机器人技术实训实践，到飞行器模拟飞行，再到真实飞行以及全部过程，以及以无人机为平台的研发和其他项目的探索，还可以满足单片机、嵌入式相关课程教学与开发的需求，亦可满足高校相关项目、课题的研究，还更好的促进了学科建设的发展，做到即增加学校的科研能力又促进了学科建设更培养了一批高素质
5、的学生，可谓一举三得。 三、 空中机器人实践创新实验室建设目标 建设具有特色的空中机器人实践创新实训室，以此为依托促进学校的学科建设和增强学校的研发能力，培养空中机器人优秀人才，为社会输送更多的无人机应用人才，同时开展空中机器人应用技术教育教学的研究和研发。 教师可以依托实验室的硬件以及技术环境进行课程设计，进一步完善学科建设和相关项目的研发，促进学校科研能力和教学能力的提升，为学校的教学发展不仅硬件方面得到提升还能增进学生的动手和思考能力。 在凭借恒拓系列开源系列空中机器人等相关技术支持环境下，搭建软件、硬件和通信平台，学生在实验教师的指导下，将嵌入式理论知识、电子技术知识与社会
6、发展技术需求对接，通过空中机器人实践创新实验室实现学生动手实践能力、逻辑分析能力并提高对理论知识的理解，同时可以进行学生的毕业设计项目。 另外，近年来大学生竞赛数量、种类越来越多，其中空中机器人的有关竞赛也越来越受广大高校的欢迎，实验室的建设可以完善空中机器人竞赛人员培训和选拔体系，不仅能更进一步增加学校的科研能力还能培养一批高素质技能人才队伍。同时社会上无人机相关人才缺口很大，实验室系统的培养定向人才，校企紧密合作，为市场输出高水平的人才。 简单概括创新实验室具备一下几点优势： 1）建设具有特色的空中机器人开发实践平台； 2）建立高水平的空中机器人研发教师学生团队； 3）建立可复制
7、推广的空中机器人开发实践开发课程体系； 4）完善空中机器人等相关专业的建设； 5）参加各类相关竞赛并争取优异成绩，增强学校的知名度。 6）促进学校相关教育科研项目的发展和对无人机及相关行业人才的输出。 理论深入与实践结合是高等院校教学体系的重要部分，空中机器人创新实训室作为高职院校教学、科研和研发的重要基地，肩负着为教学、科研和竞赛提供保证的任务，增强教师队伍教学能力的同时，在培养学生、创新精神和实践能力方面有着不可替代的作用，同时也是学校办学实力的标志，以及教学水平、科研水平和管理水平的重要体现。 方案 1、 空中机器人是嵌入式、传感器、单片机、图像处理等一系列技术的一个具体应
8、用，嵌入式技术是无人机技术的基础支撑技术，恒拓是单片机技术方案应用的先行者。恒拓科技在自己的空中机器人中各处均体现了各种技术的综合应用，并且在自己的产品中提供了各种二次开发的功能。 2、 强调实验体系搭建的教学需求。无人机创新实验室首先要满足高校教学的第一需求，所以平台不只是简单的硬件合成，要求所有硬件驱动畅通的前提下，既能满足单个方面的教学和科技需要，又能建立综合的技术实验平台，并建立丰富的可满足学校教学的实验体系，恒拓本着服务于教育，提高学生品质宗旨，了解高校教学需求，强调软硬兼顾，综合发展。 3、 传感器技术是未来各个只能领域应用的一项重要技术。传感技术是让空中机器人实现某一
9、功能的一个基础技术，为空中机器人实现所需要的功能奠定了基础，因此传感器在空中机器人上的应用显得更加突出，特别是在目前很多行业都趋向于工业化的背景下。 4、 空中机器人是一个面向应用的、多学科的综合技术，应用市场巨大。一般本科、专科教学应更强调应用，而不是过多的强调传感器、网络技术、通信技术等基础技术，否则知识点太多，学生分身乏术。我国一般院校更多的应该着重发展应用教学，多了解应用案例以及多方面的实用情况，以案例带动教学和在实际的应用中让学生更深入的了解所学所想更适合目前中国各种相关学科和专业的教学实际情况。所以，恒拓的解决方案中除了在无人机自身的设计和应用外，更强调实际行业和工业生产中以及
10、学术研究中应用实训。 一、 实验室的区域及功能 1） 机械结构设计区 提供所有的零部件，同时配备3D打印机，学生可以动手将所有部件按照实验指导书组装成一架完整的无人机，也可以自行设计部分外观和结构，通过3D打印技术实现。通过组装让学生熟悉无人机结构与原理，了解相关组成部件。 2） 维护与飞行区 将组装好的飞机进行参数设置和校准，对机架、电池、螺旋桨、电机、电调、飞行控制器以及遥控器等进行维护，提高学生对飞机的进一步认识和对自身能力的提升。 3） 调试和仪器区 当飞行器出现鼓掌无法正常工作时，学生借助相关测试仪器，快速判断出故障位置并进行响应修理，突出锻炼学生的动手和思考能力。。
11、 4） 研发区 通过实验室提供的开源飞行控制器系统和其他解决方案，学生可以针对科研项目、学科竞赛进行二次开发，对后续的教学和竞赛发展做出铺垫以及对学生能力质的提升有着不可或缺的作用。 二、 培训大纲 本培训大纲对不同阶段不同能力的同学学习上设置了对等的培训内容对各个学生不同时间的自身发展有着重要的引导作用。 一）、初级阶段 1 多旋翼飞行器工作原理 1.1 多旋翼飞行器的结构形式 1.2 多旋翼飞行器的工作原理 2 多旋翼飞行器结构与组装 2.1 多旋翼飞行器的部件与结构 2.2 Hawk 2飞行控制器详解 2.3 飞行器的组装 3 飞行器的调试及起飞 3.1 调试软
12、件 3.2 飞行器的校准 3.3 飞行安全指引 3.4 起飞前的准备 二、中级阶段 4 基于STM32的基础程序开发 4.1 开发环境简介 4.2 单色及三色LED显示 4.3 OLED显示 4.4 USB虚拟串口的使用 4.5 读取MPU6050的数据 4.6 读取HMC5883L罗盘数据 4.7 MS5611气压数据读取 4.8 M24128 EEPROM的读取 4.9 PWM采集 4.10 PWM输出 4.11 ESP8266 Wi-Fi使用 4.12 Micro SD卡读写 4.13 A/D电压采集 4.14 超声波数据采集和测距 4.15 GP
13、S数据采集 4.16 无线串口使用 三、高级阶段 5 高级飞行算法的设计与实现 5.1 姿态解算算法概述 5.2 旋转矩阵 5.3 四元数 5.4 IMUupdata算法解析 5.5 IMU姿态解算 5.6 串级PID实验 5.7 飞行程序 6 飞行器的调试及起飞 6.1 调试软件 6.2 飞行器的校准 6.3 飞行安全指引 6.4 起飞前的准备 三、 项目主要器材 Ø Enzo2 v1.0飞行平台（ENZO+机械爪的四旋翼竞赛用机，为华北五省机器人大赛官方推荐产品） Ø Hawk 3飞行平台（2017电子设计竞赛产品） Ø ENZO飞行平台（2015电子
14、设计竞赛产品） Ø HawkA飞行平台 Ø 附属教材书籍 Ø 3D打印机 Ø 无人机室内飞行测试场地 Ø PCB制板设备 Ø Windows版无人机助手（PC地面站）软件 Ø Android/IOS版无人机助手（手机地面站）软件 以上器材及资料为空中机器人创新实验室标准配备，用户可结合本单位需求，进行增减。我公司除提供上述所有器材外，另负责上述器材的安装调试，对实验室师生进行实验设备使用前培训，实验设备使用中问题进行解决，针对科研项目和比赛项目进行方向指引和一定的技术指导和后续的技术支持。 l HT Hawk-2开源飞行控制器提供资料 Ø 快速入门指南 Ø 使用说明书
15、Ø 配套软件和驱动程序 Ø 姿态解算资料 Ø 安装视频教程 Ø 相关例程 Ø 实验指导书 Ø Keil版代码 Enzo开源飞行控制器提供资料 Ø 快速入门指南 Ø 使用说明书 Ø 配套软件和驱动程序 Ø 姿态解算资料 Ø 安装视频教程 Ø 开放SDK和Keil版代码 l HT Hawk-A开源飞行控制器提供资料 Ø 快速入门指南 Ø 使用说明书 Ø 配套软件和驱动程序 Ø 姿态解算资料 Ø 安装视频教程 Ø PIX原版代码 Ø Keil版代码 l HT-X4-453-407系列飞行器开发板提供资料 Ø 快速入门指南 Ø 使用说明书 Ø 配套软件和
16、驱动程序 Ø 安装视频教程 Ø 相关例程 六、Hawk A飞行控制器介绍 本公司为实验室建设配备了一系列的产品，一下是针对一些产品的介绍和说明 l HT Hawk-A开源飞行控制外观 HT Hawk-A开源飞行控制器简介 HT Hawk-A是一款适用于多旋翼飞行器的开源飞行控制系统，使用Cortex M4核心，配有协处理器，功能更强大，性能更可靠，同时支持PIX固件，支持四、六、八旋翼飞行器和其他种类的飞行器，是为飞行器爱好者们开发的一套高品质开源自动驾驶系统，给用户提供卓越的飞行体验。 主要特征 l 重量与尺寸 名称 规格 主控尺寸 长*宽*高
17、73mm*33mm*15mm（主控，不含外壳） 重量 14g（不含外壳、拓展模块和OLED显示屏） l 基本参数 支持飞行器类型 四轴、六轴、八轴、 最大轴距 1500mm 支持电调类型 490Hz以下PWM电调 最大输出通道 14 支持接收机类型 S.BUS、PPM、PWM 工作电压 4.7-5.5v 典型功耗 0.65W 工作温度 -15~35℃ 工作湿度 10%-90% 贮存温度 -25~40℃ 贮存湿度 10%-95% l 飞行特征 最大倾斜角 35度 最大偏航速度 100度/秒 悬停精度 水平±1.5米，垂直±0.5米
18、 最大垂直速度 6米/秒 最大水平速度 20米/秒 最大航点数 255 抗风能力 4级 l 硬件规格 处理器 STM32F427VIT6（32Bit ARM Cortex-M4F，180MHz/252 MIPS，带浮点运算器） 协处理器 STM32F103VCT6（32Bit ARM Cortex-M3，72MHz） RAM 256KB FLASH 2MB 加速度计 MPU6000 地磁传感器 ST LSM303D 陀螺仪芯片 ST L3GD20H 气压计 MEASMS5611 显示屏 OLED显示
19、屏 指示灯 全色LED智能指示灯 USB接口 Micro USB接口，USB虚拟串口，可以当做串口使用 通信接口 GPS接口，数传接口，电子罗盘 信号输入 支持S.BUS、PPM、PWM信号输入 电源 外置安全开关；二极管防反接； 自恢复保险丝；电源电感滤波；USB输入静电保护 存储卡接口 Micro SD卡接口 四、 Hawk 2飞行控制器介绍 l HT Hawk-2开源飞行控制器简介 HT Hawk-2是一款适用于多旋翼飞行器的开源飞行控制系统，使用Cortex M3核心，功能更强大，性能更可靠，同时支持PIX固件，支持四、六
20、八旋翼飞行器和其他种类的飞行器，是为飞行器爱好者们开发的一套高品质开源自动驾驶系统，给用户提供卓越的飞行体验。 Hawk 2飞行控制器采用STM32F103VCT6主控，配置为STM32F103VCT6 + MPU6050 + HMC5883L + MS5611， 支持Wi-Fi无线透传模式，支持Micro SD/TF卡飞行日志存储，支持HentoGCS恒拓地面站，支持超声波定高，提供十九个开源代码例程，提供配套书籍。 l HT Hawk-2开源飞行控制器外观 l 重量与尺寸 名称 主控尺寸 长*宽*高 63mm*33mm*8mm（
21、不含外壳和OLED显示屏） 重量 14g（不含外壳和OLED显示屏） l 基本参数 支持飞行器类型 四轴、六轴 最大轴距 1200mm 支持电调类型 490Hz以下PWM电调 最大输出通道 6 支持接收机类型 PWM 工作电压 4.7-5.5v 典型功耗 0.67W 工作温度 -15~35℃ 工作湿度 10%-90% 贮存温度 -25~40℃ 贮存湿度 10%-95% l 飞行特征 最大倾斜角 30度 最大偏航速度 100度/秒 悬停精度 - 最大垂直速度 5米/秒 最大水平速度 10.2米/秒 最大航点数 - 抗风
22、能力 4级 l 硬件规格 名称 规格 处理器 STM32F103VCT6（32Bit ARM Cortex-M3，72MHz） 加速度计 MPU6050 地磁传感器 HMC5883L 气压计 MS5611 FLASH芯片 M24128-BWDW6TP 显示屏 可选OLED显示屏（提供12864显示屏接口） 指示灯 全色LED智能指示灯 USB接口 Micro USB接口，USB虚拟串口，可以当做串口使用 通信接口 IIC接口、GPS接口、Radio接口、SONAR接口 WI-FI ESP8266 存储卡接口
23、 Micro SD卡 五、 HT-500B四旋翼飞行器实验平台基本介绍 l HT-500B四旋翼飞行器实验平台基本配置 部件 参数名称 规格 备注 机架 型号 HT450T 对称电机轴距 450mm 单臂长度 185mm 电机 型号 HT2212-920KV 定子尺寸 25*25mm KV值 920rpm/V 重量 35g 电调 型号 好盈乐天 工作电流 30A 工作电压 3S LIPO 兼容信号频率 30-450Hz 驱动PWM频率 8KHz 重量(含散热器) 25g 螺旋桨 材质 碳纤维
24、 尺寸 1047 重量 9g 控制器 型号 HT-Hawk A v1.30 可选Hawk2 主板 型号 HT-X4-453-N12 拓展 模块 型号 HT-PW5167 显示屏 OLED 128*64分辨率 数传 下位 HT-RD433A 上位 HT-RD433A+HT-UT212A 电源 型号 HT-PW125A 电池 型号 3S动力锂电池 容量 3S/5200mAH GPS 型号 M8N 可选型号 遥控器 型号 AT9 可选型号 电源 2S 1200mAH/30C 通道数量 9通道 充电
25、器 类型 3S平衡充电器 HT-500B四旋翼飞行器实验平台基本参数 项目 规格 整机自重 1.40 kg 最大起飞重量 3.40 kg 最大有效载荷 2.00 kg 最长飞行时间 35 min 有效作业时间 25 min 最大飞行高度 1.2 km 遥控距离 2.0 km 最大巡航速度 15 m/s 最大上升速度 5 m/s 最大下降速度 4 m/s 最大俯仰角 35° 俯仰轴旋转角速度 30°/s 航向轴旋转角速度 100°/s GPS模式悬停精度 垂直：±0.5 m，水平：±1.5 m 抗最大风速 7 m/s 工
26、作温度 -10 ℃~40 ℃ 六、 无人机助手系列软件 无人机助手系列软件包含Windows版，Linux版，Mac版，Android版和iOS版，本方案中包含使用最为广泛的Windows版和Android版。 Windows版支持Windows 8/Server 2012或更高版本，Windows 7/Server 2008R2需要单独安装.NET Framework 4.5或更高版本。提供数据总览、姿态监视、收码显示、协议解析、参数设置、波形显示、固件升级等功能。 Android版支持Android 4.4.4或更高版本。提供数据总览、姿态监视、收码显示、航线规划、波形显示，问题反馈等功能。
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