温馨提示

一、实验目的

1. 通过虚拟仿真实验，将高校丰富的科研成果有效地转化为本科通识训练课程优质教学资源，采用虚拟仿真手段全方位直观了解无人机相关知识，促进大学生创新精神和实践能力的养成。

2. 通过模拟操作，使学生掌握无人机的机体结构及飞行控制操作。

3. 通过仿真实验，了解植保无人机、航拍无人机和环境监测无人机在不同作业环境下的综合应用。

二、实验仪器设备（装置或软件等）

1. 华农无人机设计与飞行模拟互动系统；

2. 富斯6通道SM600无人机飞行训练控制器；

3. 凤凰无人机操控模拟器软件。

三、实验方法与步骤要求

1、无人机个性化设计学习

点击主菜单“无人机设计”弹出二级菜单。二级菜单包括“初识无人机”、“无人机结构”、“无人机原理”、“无人机问答”及“无人机安全”。无人机的结构原理及个性化设计教学的理论内容直接嵌入到无人机设计环节。学生进行设计操作之前需对相关的文档及视频进行学习，协助学生顺利完成设计任务。

 

图1 无人机结构原理知识

2、无人机个性化设计操作

无人机设计部分主要由基础结构设计和功能模块设计两部分组成。基础结构部分主要针对轴数、材质、机翼和马达等部件的组装；功能部分则可进行航拍无人机、植保无人机或环境监测无人机的安装。学生对无人机进行自定义设计装配完成提交后，系统会根据无人机的设计进行评价，会直接指出不合理部分。无人机设计部分具体的装配步骤有以下几点：

（1）选择轴数

通过主机体两侧箭头或鼠标点击主机体（轴数分为四、六、八旋翼三种类型），选择对应轴数的主机体，点击确认选择即可保存选择，点击返回则返回到上一级。

（2）选择材质

通过主机体两侧箭头或鼠标点击主机体（材质分为铝合金、碳纤维、塑料三种材质），选择对应材质的主机体，点击确认选择即可保存选择，点击返回则返回到上一级。

（3）选择尺寸

通过主机体两侧箭头或鼠标点击主机体（尺寸分为大型、中型、小型三种尺寸），选择对应尺寸的主机体，点击确认选择即可保存选择，点击返回则返回到上一级。

（4）选择起落架

点击起落架图标，会出现不同类型的起落架，可根据需求进行选择，选择完后点击确定即可保存选择，点击返回可取消。

（5）选择悬臂

点击悬臂图标，会出现不同类型的无人机悬臂，可根据需求进行选择，选择完后点击确定即可保存选择，点击返回可取消。

（6）选择动力模块

无人机动力模块需安装人机悬臂后才可激活，激活后点击动力模块图标，会出现不同类型的动力模块，可根据需求进行选择，选择完后点击确定即可保存选择，点击返回可取消。

（7）选择旋翼

无人机旋翼需安装无人机动力模块后才可激活，激活后点击旋翼图标，会出现不同类型的旋翼，可根据需求进行选择，选择完后点击确定即可保存选择，点击返回可取消。

（8）选择涂装

点击涂装图标，会出现不同的颜色，可根据需求进行选择，选择完后点击确定即可保存选择，点击返回可取消，点击上传图片可自定义涂装。

（9）选择功能模块

点击功能模块图标，会出现不同的功能模块（包括摄像头、水箱、环境检测盒），可根据需求进行选择，选择完后点击确定即可保存选择，点击返回可取消。

（10）如功能模块选择的是水箱，则装配的是植保无人机，接下来会激活水泵与喷头的安装。

主要功能模块示意图如图2所示。

 

 

 

图2 无人机虚拟仿真功能模块

3、无人机的模拟作业飞行

学生完成无人机个性化设计后点击“保存”，该无人机直接保存在模型库中。一级菜单“模型库管理”里可以看到系统自带的航拍、植保、环境检测无人机和学生设计后保存的无人机。

点击一级菜单“模拟飞行”进入模拟作业环节，学生可直接调用自己设计的无人机，也可以调用系统自带的无人机。选择对应的飞行地图，进入地图后按照根据提示练习后即可进入地图进行飞行。在学生试飞训练之前，系统会有视频讲解遥控器的使用，飞行作业到固定的地点会有操作提示。三种飞行作业模式的示意图如图3所示。

 

 

 

图3 无人机飞行作业虚拟仿真模块

 

四、实验结果与结论要求

本实验对应实验方法与步骤要求的实验结果与结论要求如下。

学生在无人机设计环节中先是对理论部分知识进行学习，然后再思考并确定自己拟设计的无人机的类型、结构及功能。无人机个性化设计装配完后点击提交。填写姓名、学号、学院、年级等信息，系统会自动对学生个性化设计的无人机进行评价。评价分为三个类别，如果无人机整体装配合理，符合功能需求，系统会直接用绿色文字表示；如果无人机存在缺陷，未能完全满足该功能无人机需求，则以黄色文字表示；如果无人机的关键部件存在不合理性影响无人机的飞行，系统会直接以红色字体描述问题所在。最后，点击截图后，学生自己设计的无人机则保存到系统的模型库，学生在后面模拟作业环节可直接调用该无人机。无人机设计装配的评价环节如图4所示。

 

图4 无人机虚拟设计评价部分截图

学生根据系统的评价认真思考自己在设计的过程中产生缺陷的原因。针对系统的提示改进或重新设计无人机。

无人机的模拟作业过程以任务贯穿的形式进行。以“植保无人机”为例，无人机起飞后需到达作业区域，保持高度，进行手动控制飞行线路进行喷施。作物上方有灌溉进程条，如有被喷洒显示绿色，喷洒过度显示红色。系统预设时间为3分钟，到达时间，作业自动停止，系统自动给出成绩。学生可多次进行飞行作业控制，取最高分数。

五、考核要求

“无人机设计与飞行模拟虚拟仿真实验项目”成绩占《无人机通识训练》课程总成绩的20%。虚拟仿真实验项目考核细则如表1所示。

表1  无人机设计与飞行模拟虚拟仿真实验考核要求

考核内容	分值	占比	备注
无人机虚拟设计部分	40	40%	利用虚拟仿真平台，按照实验规范操作，个性化设计出自拟功能的多旋翼无人机，无人机设计合理，能实现预设功能。
无人机模拟作业部分	30	30%	按照实验规范操作，选择自己设计的无人机，进行相关场景的模拟作业飞行，达到系统所提出的作业要求。
实验报告	30	30%	按实验报告规范，学生撰写提交，实验教师批阅。