申報年份：2019年
申報類別：航空航天類
所屬學校：南京航空航天大學
項目負責人:雷磊
實驗設計層次：綜合設計型
無人機集群是航空系統與信息技術高度交叉融合的前沿科技，已成為國防領域的研究熱點。涉及飛行器設計與工程、信息工程等傳統工科專業，對具備實踐能力的跨專業人才需求非常迫切。然而，無人機集群相關的實驗教學卻面臨著風險高、難度高、成本高的嚴重困難。針對上述問題，南京航空航天科技大學，帶著教學團隊核心來到南京恒點信息技術有限公司，恒點以相關科研和教學成果為基礎，遵照“能實不虛，虛實結合”的原則，雙方強強聯手，開發了《多旋翼無人機裝配與群體協同虛擬仿真實驗》項目。
多旋翼無人機裝配與群體協同虛擬仿真實驗，旨在學生掌握多旋翼無人機裝備參數與調試，無人機群群鏈路預算與組網，無人機集群協同與自主避障相關的技術原理和實驗方法。培養學生分析和解決工程的能力，本項目通過建模，為學生提供了虛擬的，面積約為64平方公開的某海島。上面有敵我雙方的軍事基地。我方基地有：無人機裝備實驗室，試飛場，以及14種多旋翼無人機組件，並且1：1還原了模型功能。
本次實驗壹***包含了3個環節：
（1）多旋翼無人機裝備與參數調試
學生首先針對多旋翼無人機部件展開學習，然後，系統會隨機生成動力系統設計任務，學生線下計算並選擇合理的動力裝置，系統根據學生的選擇計算出動力性能指標。學生自主判斷是否達到設計要求，裝機、裝配、調試子環節，學生從備件庫中取出多旋翼無人機部件，並完成裝配。本環節引導學生開展容錯探究式自主學習，裝配過程中如果出現正反螺旋槳位置安裝錯誤，或者沒有正確調整GPS模塊的安裝方向，本項目不會中斷學生的實驗，在安裝完畢後，試飛過程中發生無人機側翻等事故，才會暴露錯誤。學生通過查閱“知視角”中的相關資料，自主探究錯誤原因，並返回裝配式重新調整。試飛成功後，學生依次對無人機PID控制系統的比例（P），積分（I），微分（D），參數進行調節，並且糾正無人機的“晃動”、“高頻抖動”、“漂移”、“回彈”，等錯誤狀態，直至無人機平穩飛行。最後提交本環節實驗結果。
（2）無人機集群鏈路預算與組網
系統隨機生成任務，學生線下計算無人機節點最小信號發送功率，並完成連通性測試，機間通信組網子環節，學生完成無人機集群，自組織時多分址組網協議時幀結構設計。開展網絡性能測試與分析，並提交本環節實驗結果，
（3）無人機集群協同與自主避障
虛擬力場探究，Boids模型給出了集群行為的三條基本規則，放碰撞，速度匹配和聚合，虛擬立場法將Boids，對無人機集群節點運動的影響類比為，力對物體運動的影響。節點處在不同區域時虛擬立場的變化情況，觀察基於平行四邊形法則的虛擬力合成過程。通過科普華的類比，降低學生理解虛擬力場法的難度，協同自主避障，學生采用控制變量法，逐步分析各類虛擬力場參數取值，對無人機集群性能的影響，自主探究，使得無人機集群協同性能最優的參數聯合設計方案，最後提交本環節實驗結果。
本實驗要求學生開展容錯探究式自主學習，實驗成績評價重點，是學生分析和解決問題的能力，實驗報告中的解決方案或參數取值並不是唯壹，系統可分別針對學生3個實驗環節的完成情況進行自動評分，最後再按照3個實驗環節分別占30%，30%和40%的權重計算學生的最終實驗成績。
本實驗已在相關高校和行業內領先的科研院所得到應用，在南航老師和恒點公司的相互配合下，指導實驗教學項目開發，突出開發效率的同時，有效地保證實驗課件在功能性、兼容性、易用性以及美感等維度的品質，也為我國航空科研獻出綿薄之力。