空中机器人方案

精品文档 0欢迎下载 空中机器人技术 创新实验室 建设方案 精品文档 1欢迎下载 2016 3 29 精品文档 2欢迎下载 目录目录 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 15 精品文档 3欢迎下载 1 1 建设的意义建设的意义 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 精品文档 4欢迎下载 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 精品文档 5欢迎下载 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 精品文档 6欢迎下载 2 2 建设规划建设规划 2 12 1 场地建设场地建设 分 4 个功能区 A A 仿真教学区仿真教学区 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 B 室内调试区室内调试区 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 精品文档 7欢迎下载 C C 室内飞行区室内飞行区 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 D 室外飞行区室外飞行区 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 22 2 课程体系建设课程体系建设 第一阶段 基础知识第一阶段 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 精品文档 8欢迎下载 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 精品文档 9欢迎下载 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 3 产品选用产品选用 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 精品文档 10欢迎下载 4 4 配置计划配置计划 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 SF450st 2 四旋翼无人机系统 标准版 UP SF451ap 3 模拟训练系统 realfight V7 4 飞行场地 5 飞行测试架 UP SFCS 6 电池充电器 合计总价 精品文档 11欢迎下载 5 5 产品介绍产品介绍 SmartFlyTM四旋翼无人机 型号 UP SF450 产品介绍产品介绍 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 功能特点功能特点 先进的飞控系统先进的飞控系统 精品文档 12欢迎下载 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 应用领域应用领域 精品文档 13欢迎下载 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 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 精品文档 14欢迎下载 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 CPU Cortex A7 双核 CPU 架构处理器内核 内存1GB DDR3 960MHz 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 0 C 50 C 物距 60cm 阵列尺寸 640 x 480 帧率 12 精品文档 15欢迎下载 视角 130 图像格式 YUV GPS 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 精品文档 16欢迎下载 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 20dBm CE 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 精品文档 17欢迎下载 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 配套资源配套资源 精品文档 18欢迎下载 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 6 GPS 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 精品文档 19欢迎下载 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 APP 11 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 6 空中机器人竞赛工作流程 空中机器人竞赛工作流程 阶段阶段时间时间内容内容 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 精品文档 20欢迎下载 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 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 赛事准备 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 精品文档 21欢迎下载 7 7 中国机器人大赛空中机器人赛事介绍 中国机器人大赛空中机器人赛事介绍 组织介绍组织介绍 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 精品文档 22欢迎下载 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 精品文档 23欢迎下载 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 投掷定位最准确者获胜 在比赛的初级阶段 货物的 装填可以是手动的 执行单次搬运任务 O A 航线上地面有图