空中机器人方案.doc

空中机器人技术创新实验室建设方案2016.3.29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 151.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。2.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。C. 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X2 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）X4 GNSS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：X5规定的国内外无人机法规X6部分无人机产品手册3.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SmartFly 450 四旋翼无人机系统。4.配置计划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realfight V74飞行场地5飞行测试架UP-SFCS6电池充电器合计总价： 5.产品介绍SmartFlyTM四旋翼无人机型号：UP-SF450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：12001500克飞行时间：1525分钟最大载荷：300克悬停精度垂直：0.5 m，水平：2.5 m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10 m/s最大航行速度15 m/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10C 至 40C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1GB DDR3960MHz内存，接口包含了以太网、USB、串口、GPIO等接口，存储器板载4GB NandFlash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摄像头工作温度0C 50C物距60cm阵列尺寸640 x 480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6V16V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、JORCAM A4、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Wifi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：AC220V OUT:DC14.8V充电器（选配）供电电源AC220V 100W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realfight V7模拟用遥控器频率：2.400Ghz-2.483Ghz编码方式：2.4Ghz DSSS（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。提供给用户做开发参考。版本配置在产品配置上分为“标准版”和“航拍版”，标准版比较适合用于自动飞行控制课堂教学和比赛，航拍版可用于手动控制训练和航拍训练。其配置对比如下：序号名称标准版数量航拍版数量单位1飞控11个2主控制器1个3航灯模块11个4指示灯44个5遥控接收机11个6GPS模块11套7接口顶板11个8接口底板11个9电机44个10电调44个11航模电池22个12摄像头2个13超声波模块2个14数字舵机2个15云台相机模块11套16结构及电气组件11套17固定起落架8个18自动起落架2个19备用桨叶22套20多功能调试器1套21遥控器11个22手机APP11个23产品光盘11张24使用说明及开发指南11本25实验指导书11本6、空中机器人竞赛工作流程阶段时间内容前期准备4月组织参赛人员对比赛规则进行学习，明确比赛要实现的内容和目标；开始搜集历年比赛的视频、图片和文字资料，对比赛水平和比赛对手有个较全面了解。4月中国机器人大赛比赛报名4-5月 竞赛器材采购（招投标、签合同、交货验收等）。4-5月 对比赛所用器材的基本使用进行学习。赛事准备5月根据基础知识和参与态度对报名的学生进行初选。5月赛事规则培训6月中旬对培训内容进行巩固，包括对培训资料的复习，复现培训时所实现的技术方案。6月中旬同上6月下旬技术方案成型期，这时候需要根据自身技术特点，确定重点凸出的方向，形成优势；对比赛所使用的系统整体框架进行确定。分项赛8月参加在中国长沙举办的中国机器人大赛空中机器人竞赛7、中国机器人大赛空中机器人赛事介绍组织介绍空中机器人竞赛是RoboCup机器人世界杯的一部分。技术背景中国自动化学会机器人竞赛工作委员会和科技部高技术研究发展中心创立了“中国空中机器人大赛”，并于2004年在西安成功举行了“飞豹杯”中国首届空中机器人大赛，吸引了来自清华大学、北京航空航天大学、西北工业大学、西安交通大学、南京航空航天大学、空军工程大学等一批国内顶尖的机器人、无人系统专业团队连续参赛。中国空中机器人大赛的比赛规则参照国际空中机器人大赛（IARC）的前几代任务设置，聘请了国内最权威的顾问委员会团队，比赛组织协调了专业机场，得到空军的空域支持，因此，很长时间内成为了国内规模最大、技术最前沿、水平最顶尖的唯一的空中机器人赛事！中国空中机器人大赛一路走来，为国家的军/民用无人系统事业培养了一大批拔尖人才，他们有的进入航空航天企业无人机部门，从事先进部件研发或者系统集成，成为技术骨干甚至型号总师；有的成为无人机技术与产品的创业先锋，促进了各个行业进入“无人机”时代，在航空摄影、物流和农业植保等领域开发有国际竞争力的无人机系统产品，为“中国创造”注入了鲜活的力量。可以说，参加过中国空中机器人的每一个青年学子，都会怀念那条比赛航路上激动人心的时刻，成为他们宝贵的精神财富！竞赛定位近年来，空中机器人技术的应用在各行各业突飞猛进，一方面，自动化领域军用无人机的导航飞控系统技术日益成熟，军用无人机技术的发展更偏重于察打一体载荷技术、舰载起降技术和先进布局VTOL控制技术；另一方面，民用无人机的应用出现井喷式的发展，在航拍航摄、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。与此同时，空中机器人比赛的任务设置也面临巨大挑战，一是由于军/民用无人机型号、应用的分工细化，使得专用技术分化明显，因此无法提炼可持续发展的、可聚焦的比赛任务；二是随着比赛难度的加大，参赛队伍在人力物力财力投入上消耗较大，难以为续；三是随着土地资源紧张和空域管理的严格，很多参赛队伍已经不具备大型场地连续试飞实验的条件。总结以上，目标多元化、项目大型化、保障条件恶化，都导致了空中机器人大赛原有的任务设置和运行模式难以扩大规模，持续进行。机遇与挑战并存，近年来，随着民用无人机需求的日益聚焦，多旋翼无人机技术日益成熟，已经发展出了规模庞大的爱好者团体和诸多新兴的民用无人机技术公司，市场上能采购到的飞行机器人动力、结构、导航飞控和传感器材日益丰富，价格日益低廉。这为我们设置合适的比赛任务，引导技术的发展和应用的对接，吸引更多的青年学子投身空中机器人事业奠定了很好的基础。本竞赛定位如下：（1）本竞赛严格控制飞行器重量和体积，要求参赛飞行器的轴距为450mm，起飞重量不大于2kg。（2）本竞赛采用目标产品驱动，明确的以消费类航拍无人机、物流和农业植保无人机的应用需求为任务设定依据。（3）本竞赛给予参赛队伍全面的安全指导。要求试验飞行高度不大于5米，设置必要的人员防护措施、起火防护措施和遥控保护措施。本项竞赛的终极目标是（1）发展一种飞行的消费类机器人，能与人类进行互动游戏，任何时候不会伤害到人。（2）发展一种面向物流和农业的飞行机器人，实现自动物流和农业任务的无人化。赛项设置（1）空中加油本项比赛实质是空中目标识别和追踪，由多个气球模拟目标带加油飞机，被随机固定在场地顶部，参赛飞机自主选择比赛指定的目标，并机动接近实施扎破动作。完成任务用时最短者获胜。比赛对无人机的稳定性、快速定位识别球体能力、高机动能力提出了持续的挑战。在更高阶段的比赛里，目标加油机（气球）以固定的运动轨迹，动态出现在场地中，参赛飞机需要自动捕捉目标并完成动作任务。比赛的初期阶段不限制系统采用的目标定位方式（全局视觉可用），但最终将鼓励采用机载传感器的全自主方式。（2）空中物流本项比赛要求无人机在室内自主的目标从起始点（O点）搬运到指定点（A点），完成任务用时最短者获胜，时间相近者，投掷