无人机自主飞行与集群控制实验平台
无人机集群
概述
无人机自主飞行与集群控制实验平台是面向高校航空航天、自动化、机器人工程等专业开设的无人机教学与科研实验系统。平台以 PX4 开源飞控为核心，集成多旋翼无人机硬件平台和 Gazebo/Lockheed Martin SITL 仿真环境，支持单机自主飞行、多机编队控制、集群协同算法验证等实验项目。
硬件层面，平台提供多种规格的多旋翼无人机机体（Quadrotor、Hexarotor 等），搭载 Pixhawk 系列飞控、GPS 模块、光流传感器、激光测距仪等传感器；软件层面，预装 PX4 固件和 QGroundControl 地面站，支持 MAVLink 协议通信，可与 ROS/ROS2 无缝集成。平台同时提供多机编队套件，支持基于 leader-follower、virtual structure 等编队控制策略的实验教学。
功能要求
1. PX4 飞控系统
• 基于 PX4 开源飞控，支持多旋翼、固定翼、VTOL 等多种机型
• 支持手动飞行、姿态模式、定点模式、自主模式
• 内置 EKF 扩展卡尔曼滤波，提供高精度姿态和位置估计
• 支持 MAVLink 协议，可与地面站和上位机通信
2. 自主飞行能力
• 支持离线航点规划与上传，支持多航点航线飞行
• 支持地理围栏（Geofence）安全保护功能
• 支持自动起飞、自动降落、自动返航（RTH）
• 支持视觉引导着陆（可选扩展）
3. 集群控制与编队
• 支持 4-16 架多旋翼无人机的编队控制
• 提供 leader-follower、behavior-based 等多种编队算法
• 支持队形变换、协同避障、任务分配等高级功能
• 提供集群仿真环境，支持算法仿真验证后迁移至实物
4. Gazebo 仿真环境
• 高保真 Gazebo 仿真环境，支持物理引擎和多飞行器仿真
• 提供多种城市场景、障碍物场景仿真模型库
• 支持故障注入（传感器故障、GPS 丢失等）训练
• 支持 HIL（硬件在环）仿真测试
5. 传感器集成
• GPS + 罗盘模块，支持室外 GNSS 定位
• 光流传感器，支持室内无 GPS 环境定位
• 激光测距仪，支持高度保持和障碍物检测
• 深度相机（可选），支持视觉里程计和目标跟踪
技术规格
|
参数 |
规格 |
|
飞行器类型 |
四旋翼 / 六旋翼（可选） |
|
轴距 |
450-1000mm（多种规格可选） |
|
最大起飞重量 |
2-5kg |
|
飞行时间 |
15-30 分钟（取决于载荷） |
|
控制距离 |
2km（遥控）/ 视距内无线数传 |
|
飞控 |
Pixhawk 4 / Cube Orange / 同级别 |
|
定位精度 |
水平 ±1m（GPS）、±5cm（RTK，可选） |
|
仿真软件 |
Gazebo + PX4 SITL |
|
集群规模 |
支持 4-16 架 |
|
通信协议 |
MAVLink / ROS |
配套课程与实验项目
|
序号 |
课程名称 |
实验项目 |
|
1 |
无人机原理与控制 |
四旋翼无人机的组装、标定与调试实验 |
|
2 |
PX4 飞控开发 |
PX4 固件编译、参数配置与自定义应用开发实验 |
|
3 |
无人机自主导航 |
航点规划与自主飞行任务设计实验 |
|
4 |
无人机路径规划 |
RRT/势场法路径规划与避障实验 |
|
5 |
Gazebo 仿真技术 |
多旋翼无人机仿真环境搭建与飞行验证实验 |
|
6 |
编队控制原理 |
Leader-Follower 编队控制算法设计与实现实验 |
|
7 |
集群协同算法 |
多无人机协同搜索与任务分配实验 |
|
8 |
视觉导航 |
光流定位与视觉里程计融合实验（可选） |
适用专业
• 航空航天工程
• 自动化
• 机器人工程
• 电子信息工程
• 计算机科学与技术
• 机械工程
应用领域
• 无人机电力巡检
• 物流配送无人机
• 农业植保无人机
• 编队飞行表演
• 应急救援与搜索
• 军事侦察与监视
