电子科技大学：《多智能飞行器协同综合创新实验 Collaborative and comprehensive innovation experiment of multi-intelligent aircraft》课程教学资源（教学大纲）.pdf_大学文库

《多智能飞行器协同综合创新实验》课程教学大纲课程英文名称：Collaborative and comprehensive innovation experiment of multi-intelligent aircraft 课程代码：S1001520 学时数：30 学分数：1.5 课程类型：集中实践教学（必修）适用学科专业：探测制导与控制技术专业先修课程：航空航天概论、自动控制、飞行控制执笔者：荆华编写日期：2020.05 审核人：李辉一、课程简介本课程是探测制导与控制技术专业本科生的一门必修的集中实践课程。本课程通过完成倾转旋翼无人机设计及协同控制实验这一典型的多学科设计问题为挑战目标，学生在深度参与这一挑战性实验的过程中掌握学科基础知识与原理、掌握基本软硬件工具的应用，同时在探讨实践中学生不断提高创造性解决复杂工程问题的能力。本实验课程共30学时，包括4部分实验项目： 1)倾转旋翼机气动分析： 2)倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真； 3)倾转旋翼飞行器单机设计制造与试飞： 4)多无人机编队协同控制设计与验证。学生将通过分组形式完成飞行器气动分析、控制律设计与仿真、飞行器制作与试飞及协同一体化实验内容。 This course aims to complete the typical multi-disciplinary design problem of tilt rotor UAV design and collaborative control experiment.Students master the basic knowledge and principles of the subject and master the application of basic software and hardware tools in the process of deeply participating in this challenging experiment.Meanwhile,students will improve their creative ability to solve complex engineering problems in practice. This experimental course has 40 class hours,including 4 parts of experimental projects: 1)Digital modeling and structural design of tilt rotor aircraft; 2)Design and Simulation of flight control law for tilt rotor aircraft: 3)Design,manufacture and test flight of single tilt rotor aircraft; 4)Design and verification of multiple unmanned aerial vehicles(UAVs)formation cooperative control. Students will complete the digital modeling and analysis of the aircraft,the design and Simulation of the control rules,the production and test flight of the aircraft and the collaborative integration experiment in groups 二、课程目标

《多智能飞行器协同综合创新实验》课程教学大纲课程英文名称： Collaborative and comprehensive innovation experiment of multi-intelligent aircraft 课程代码：S1001520 学时数： 30 学分数：1.5 课程类型：集中实践教学（必修）适用学科专业：探测制导与控制技术专业先修课程：航空航天概论、自动控制、飞行控制执笔者：荆华编写日期：2020.05 审核人：李辉一、课程简介本课程是探测制导与控制技术专业本科生的一门必修的集中实践课程。本课程通过完成倾转旋翼无人机设计及协同控制实验这一典型的多学科设计问题为挑战目标，学生在深度参与这一挑战性实验的过程中掌握学科基础知识与原理、掌握基本软硬件工具的应用，同时在探讨实践中学生不断提高创造性解决复杂工程问题的能力。本实验课程共 30 学时，包括 4 部分实验项目： 1) 倾转旋翼机气动分析； 2) 倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真； 3) 倾转旋翼飞行器单机设计制造与试飞； 4) 多无人机编队协同控制设计与验证。学生将通过分组形式完成飞行器气动分析、控制律设计与仿真、飞行器制作与试飞及协同一体化实验内容。 This course aims to complete the typical multi-disciplinary design problem of tilt rotor UAV design and collaborative control experiment. Students master the basic knowledge and principles of the subject and master the application of basic software and hardware tools in the process of deeply participating in this challenging experiment. Meanwhile, students will improve their creative ability to solve complex engineering problems in practice. This experimental course has 40 class hours, including 4 parts of experimental projects: 1) Digital modeling and structural design of tilt rotor aircraft; 2) Design and Simulation of flight control law for tilt rotor aircraft; 3) Design, manufacture and test flight of single tilt rotor aircraft; 4) Design and verification of multiple unmanned aerial vehicles (UAVs) formation cooperative control. Students will complete the digital modeling and analysis of the aircraft, the design and Simulation of the control rules, the production and test flight of the aircraft and the collaborative integration experiment in groups. 二、课程目标

倾转旋翼无人机设计及协同控制实验集控制、电子、测试、通信、力学为一体，这些学科相互影响、相互耦合，是典型的多学科设计问题：另外，倾转旋翼机的设计必须同时满足旋翼机和固定翼飞机这两种不同飞行模式的要求，也是典型的多目标设计问题。该课程实验对学生的系统思维与对复杂工程问题的解决能力提出了高要求。学生将通过分组形式通过Matlab(Simulink)、FlightGear 软件完成飞行器本体数字化建模与分析、控制律设计与仿真、飞行器制作与试飞及协同一体化实验内容。学生将融会贯通理解飞行器结构、飞行力学、控制、通信原理等课程知识，掌握力学、控制、通信等多学科知识的交叉应用，从而提高学生解决复杂问题解决能力，激发学生自信、探索精神、提高系统思维和创新思维能力。 The design and cooperative control experiment of tilt rotor UAV integrates control,electronics,test, communication and mechanics.These disciplines interact and couple with each other,which is a typical multidisciplinary design problem;in addition,the design of the tilt rotor aircraft must meet the requirements of the two different flight modes of the rotorcraft and the fixed-wing aircraft,which is also a typical multi-objective design problem.The experiment of this course puts forward high requirements for systematic thinking and the ability of solving complex engineering.Students will complete the digital modeling and analysis of the aircraft,the design and simulation of the control rules,the production and test flight of the aircraft and the collaborative integration experiment in groups.Students will have a comprehensive understanding of aircraft structure.flight mechanics.control,communication principles and other relevant knowledge,and master the interdisciplinary application of mechanics,control, communication,sensors and other knowledge.So as to improve the ability to solve complex engineering problems,stimulate self-confidence,explore spirit,improve system thinking and innovative thinking ability. 具体目标是：目标l:能熟练使用Matlab、FlightGear等工具软件进行程序的开发、仿真和调试。目标2：能够具有系统分析与思维的能力，能够从气动、位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制四方面展开讨论与分析并最终通过综合仿真验证控制率算法的有效性。目标3：能够具有复杂问题解决能力，完成基于模型的多无人机编队协同控制设计与验证。目标：4：能够掌握工程设计的流程和工程问题解决的方法，能根据倾转旋翼无人机总体指标要求，完成单倾转旋翼无人机骨架、旋转机构、控制器以及硬件设备动的选型、组装及调试。思政目标通过本课程，不仅能使同学们实现从了解经典飞机研制历程到学以致用自行设计飞控的逐步提升，还能使同学们实现从感受航空航天力量到用实力传承老一辈航空航天人使命担当的价值升华，把思想价值引领贯穿专业课教育教学过程中，有效强化学生的使命感、责任感和“爱祖国、爱航空、爱航天、爱成电”的四爱精神。培育出引领未来社会发展和国防建设的精英人才

倾转旋翼无人机设计及协同控制实验集控制、电子、测试、通信、力学为一体，这些学科相互影响、相互耦合，是典型的多学科设计问题；另外，倾转旋翼机的设计必须同时满足旋翼机和固定翼飞机这两种不同飞行模式的要求，也是典型的多目标设计问题。该课程实验对学生的系统思维与对复杂工程问题的解决能力提出了高要求。学生将通过分组形式通过 Matlab（Simulink）、FlightGear 软件完成飞行器本体数字化建模与分析、控制律设计与仿真、飞行器制作与试飞及协同一体化实验内容。学生将融会贯通理解飞行器结构、飞行力学、控制、通信原理等课程知识，掌握力学、控制、通信等多学科知识的交叉应用，从而提高学生解决复杂问题解决能力，激发学生自信、探索精神、提高系统思维和创新思维能力。 The design and cooperative control experiment of tilt rotor UAV integrates control, electronics, test, communication and mechanics. These disciplines interact and couple with each other, which is a typical multidisciplinary design problem; in addition, the design of the tilt rotor aircraft must meet the requirements of the two different flight modes of the rotorcraft and the fixed-wing aircraft, which is also a typical multi-objective design problem. The experiment of this course puts forward high requirements for systematic thinking and the ability of solving complex engineering. Students will complete the digital modeling and analysis of the aircraft, the design and simulation of the control rules, the production and test flight of the aircraft and the collaborative integration experiment in groups. Students will have a comprehensive understanding of aircraft structure, flight mechanics, control, communication principles and other relevant knowledge, and master the interdisciplinary application of mechanics, control, communication, sensors and other knowledge. So as to improve the ability to solve complex engineering problems, stimulate self-confidence, explore spirit, improve system thinking and innovative thinking ability. 具体目标是：目标 1：能熟练使用 Matlab、FlightGear 等工具软件进行程序的开发、仿真和调试。目标 2：能够具有系统分析与思维的能力，能够从气动、位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制四方面展开讨论与分析并最终通过综合仿真验证控制率算法的有效性。目标 3：能够具有复杂问题解决能力，完成基于模型的多无人机编队协同控制设计与验证。目标:4：能够掌握工程设计的流程和工程问题解决的方法，能根据倾转旋翼无人机总体指标要求，完成单倾转旋翼无人机骨架、旋转机构、控制器以及硬件设备动的选型、组装及调试。思政目标通过本课程，不仅能使同学们实现从了解经典飞机研制历程到学以致用自行设计飞控的逐步提升，还能使同学们实现从感受航空航天力量到用实力传承老一辈航空航天人使命担当的价值升华，把思想价值引领贯穿专业课教育教学过程中，有效强化学生的使命感、责任感和“爱祖国、爱航空、爱航天、爱成电”的四爱精神。培育出引领未来社会发展和国防建设的精英人才

三、课程内容安排和要求 (一)教学内容、要求及教学方法本挑战实验包括4部分实验项目： 1、倾转旋翼机气动分析： 2、倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真： 3、倾转旋翼飞行器单机设计制造与试飞： 4、多无人机编队协同控制设计与验证。学生将按照24-30人为一个教学班，每个教学班分为7-8组，每组3-4人。实验项目一：倾转旋翼机气动分析(3学时) 1、实验目的熟悉倾转旋翼无人机的结构特点，了解相于传统固定翼或旋翼无人机的优势：掌握倾转旋翼无人机结构设计方法和数字化建模方法：能够利用计算流体力学软件进行气动仿真分析：通过实验增强对飞行器结构设计、飞行器气动力学、飞行力学等课程知识的理解，为后续实验倾转旋翼机动力学模型搭建起到了前处理的作用。同时，在此实验中将融入航天精神与航天文化。激发学生的行业荣誉感和国防使命感。 2、实验内容 1)根据倾转旋翼机的结构特点，完成简单可行的倾转旋翼无人机结构设计，建立倾转旋翼无人机的数字化模型：（掌握，1学时） 2)基于Asys分析软件，进行飞行器气动仿真分析，确定倾转旋翼气动参数并分析。（掌握， 2学时)》教学要求（对应课程目标1、2) 实验项目二：倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真(14学时) 1、实验目的通过该实验可以使学生掌握倾转旋翼机控制律设计与分析，学会通过机载建模器可视化仿真中分析，验证算法设计的可行性：通过实验增强对飞行力学等课程知识的理解：在飞行器飞行力学分析、控制算法设计、算法优化过程的实践中，培养学生系统分析与思维能力以及解决复杂问题的能力。同时，在此部分实验中将融入课程组教师的爱国情怀和工程伦理价值观。 2、实验内容根据倾转旋翼机的结构特点，完成简单可行的飞控系统设计并搭建其数字化模型：根据倾转旋

三、课程内容安排和要求（一）教学内容、要求及教学方法本挑战实验包括 4 部分实验项目： 1、倾转旋翼机气动分析； 2、倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真； 3、倾转旋翼飞行器单机设计制造与试飞； 4、多无人机编队协同控制设计与验证。学生将按照 24-30 人为一个教学班，每个教学班分为 7-8 组，每组 3-4 人。实验项目一：倾转旋翼机气动分析（3 学时） 1、实验目的熟悉倾转旋翼无人机的结构特点，了解相于传统固定翼或旋翼无人机的优势；掌握倾转旋翼无人机结构设计方法和数字化建模方法；能够利用计算流体力学软件进行气动仿真分析；通过实验增强对飞行器结构设计、飞行器气动力学、飞行力学等课程知识的理解，为后续实验倾转旋翼机动力学模型搭建起到了前处理的作用。同时，在此实验中将融入航天精神与航天文化。激发学生的行业荣誉感和国防使命感。 2、实验内容 1）根据倾转旋翼机的结构特点，完成简单可行的倾转旋翼无人机结构设计，建立倾转旋翼无人机的数字化模型；（掌握，1 学时） 2）基于 Ansys 分析软件，进行飞行器气动仿真分析，确定倾转旋翼气动参数并分析。（掌握， 2 学时）教学要求（对应课程目标 1、2）实验项目二：倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真（14 学时） 1、实验目的通过该实验可以使学生掌握倾转旋翼机控制律设计与分析，学会通过机载建模器可视化仿真中分析，验证算法设计的可行性；通过实验增强对飞行力学等课程知识的理解；在飞行器飞行力学分析、控制算法设计、算法优化过程的实践中，培养学生系统分析与思维能力以及解决复杂问题的能力。同时，在此部分实验中将融入课程组教师的爱国情怀和工程伦理价值观。 2、实验内容根据倾转旋翼机的结构特点，完成简单可行的飞控系统设计并搭建其数字化模型；根据倾转旋

翼机飞行特点，熟悉理解旋翼机的飞行控制律设计：对飞行器控制律设计进行仿真分析，验证设计的可行性。具体包括： 1)讲解倾转旋翼机旋翼模式飞行特点，构建旋翼模式下的数字化模型：（理解，4学时） 2)讲解倾转旋翼机固定翼模式飞行特点，构建固定翼模式下的数字化模型：（理解，3学时） 3)设计倾转旋翼机旋翼模式与固定翼模式之间切换的过度走廊算法并建立数字化模型：（理解，2学时) 4)从位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制四方面展开讨论并通过综合仿真验证旋翼模式下控制率算法的有效性：（理解，3学时） 5)从位置控制、姿态控制两方面展开讨论并通过综合仿真验证固定翼模式下控制率算法的有效性：（理解，2学时）教学要求（对应课程目标1、2) 实验项目三：倾转旋翼飞行器单机设计制造与试飞(10学时) 1、实验目的通过该实验可以使学生深入理解倾转飞行器及其关键零部件的结构特点、工作原理、关键参数对运动的影响等，从而掌握飞行器的设计、制造和控制的基本方法。该实验将理论与实践相结合，加强学生的对飞行器的认知和实践操作能力，培养学生的工程技术经验和系统思维能力。同时，在此实验中将融入中国制造与航空报国思政元素。 2、实验内容根据学生设计的倾转旋翼无人机，合理选取结构组件材料：搭建完成无人机骨架、旋转机构、控制器以及硬件设备的安装调试：将搭建完成的无人机进行悬停实验，验证其旋翼模式下的稳定性。具体包括： 1)讲解搭建完成无人机骨架、旋转机构、控制器以及硬件设备的注意事项，并进行硬件模块的组装：（掌握，6学时） 2)讲解调试搭建完成的倾转旋翼机注意事项，并进行调试：（掌握，2学时） 3)在条件允许情况下，将搭建完成的倾转旋翼机进行悬停实验，验证其旋翼模式下的稳定性。 (理解，2学时) 教学要求（对应课程目标3、4）

翼机飞行特点，熟悉理解旋翼机的飞行控制律设计；对飞行器控制律设计进行仿真分析，验证设计的可行性。具体包括： 1）讲解倾转旋翼机旋翼模式飞行特点，构建旋翼模式下的数字化模型；（理解，4 学时） 2）讲解倾转旋翼机固定翼模式飞行特点，构建固定翼模式下的数字化模型；（理解，3 学时） 3）设计倾转旋翼机旋翼模式与固定翼模式之间切换的过度走廊算法并建立数字化模型；（理解，2 学时） 4）从位置控制、姿态控制、控制分配和电机控制四方面展开讨论并通过综合仿真验证旋翼模式下控制率算法的有效性；（理解，3 学时） 5）从位置控制、姿态控制两方面展开讨论并通过综合仿真验证固定翼模式下控制率算法的有效性；（理解，2 学时）教学要求（对应课程目标 1、2）实验项目三：倾转旋翼飞行器单机设计制造与试飞（10 学时） 1、实验目的通过该实验可以使学生深入理解倾转飞行器及其关键零部件的结构特点、工作原理、关键参数对运动的影响等，从而掌握飞行器的设计、制造和控制的基本方法。该实验将理论与实践相结合，加强学生的对飞行器的认知和实践操作能力，培养学生的工程技术经验和系统思维能力。同时，在此实验中将融入中国制造与航空报国思政元素。 2、实验内容根据学生设计的倾转旋翼无人机，合理选取结构组件材料；搭建完成无人机骨架、旋转机构、控制器以及硬件设备的安装调试；将搭建完成的无人机进行悬停实验，验证其旋翼模式下的稳定性。具体包括： 1）讲解搭建完成无人机骨架、旋转机构、控制器以及硬件设备的注意事项，并进行硬件模块的组装；（掌握，6 学时） 2）讲解调试搭建完成的倾转旋翼机注意事项，并进行调试；（掌握，2 学时） 3）在条件允许情况下，将搭建完成的倾转旋翼机进行悬停实验，验证其旋翼模式下的稳定性。（理解，2 学时）教学要求（对应课程目标 3、4）

实验项目四：多无人机编队协同控制设计与验证（3 学时） 1、实验目的通过该实验可以使学生理解与掌握多机编队协同控制策略与算法；基于倾转旋翼机设计多无人机编队飞行平台，并在此飞行平台上进行综合演示试飞试验；通过解决多目标的协同控制这一复杂问题，提高学生的系统思维能力与对复杂工程问题的解决能力。同时，在此实验中将融入职业道德素养。航空航天类专业以培养航空航天领域应用型工程师为目标，学生毕业之后更多是进入航空航天领域的一线，他们的职业道德素养是我国航空航天品质的保证。因此，职业道德素养是课程思政育人的重要环节之一。 2、实验内容搭建 AC3D\Simulink/FlightGear 联合仿真环境，接入驾驶杆进行驾驶员在线可视化仿真飞行。即，使用 AC3D 绘制飞行器本体模型，由 Matlab/Simulink 中搭建多机协同飞行动力学模型，并驱动 FlightGear 中的可视化飞行器本体模型。通过 UDP 协议实现多机通信，连入驾驶杆进行驾驶员在环可视化多机仿真飞行。具体包括： 1）使用 AC3D 绘制飞行器本体模型；（掌握，1 学时） 2）在实验二基础上，搭建多机协同飞行动力学模型；（理解，1 学时） 3）FlightGear 中的可视化飞行器本体模型驱动方式；（理解，0.5 学时） 4）UDP 多机通信协议的实现方法。（了解，0.5 学时）教学要求（对应课程目标 1、3）（二）自学内容和要求 1、了解飞行器总体设计基本方法； 2、熟练使用 Matlab 集成开发环境及 simulink 建模方法。 3、了解基于模型的飞行器系统建模、调试与验证方法四、考核方式考核方式：考查，提交课程设计报告、仿真模型、课程设计展示。表 1 考核成绩构成表考核环节实验报告课程设计演示与讲解期中考试期末考试成绩比例（%） 45 55 0 0

1.实验报告(3次)：此部分占总成绩45%，要求学生（以小组形式上交）能设计实验方案，记录、分析、解释数据，给出有效结论并撰写实验报告。（注：实验报告要求明确小组内成员分工及贡献率）表2实验报告成绩构成与考核标准考核内容优良中差完成进度完成90%以上。完成80%-90%。完成完成60%以下。 60%-80%。 (10%) [9-10] [8-9) [0-6) [6-8) 正确性基本正确。大部分正确。有较大缺陷。正确。「46-50] (50%) [42-46) [34-42) [0-34) 分析与结论分析较合理、结的有效性分析合理、结论有分析较合理、结论基本有效。存在严重错误。效。[18-20] 论有效。[16-18) [12-16 [0-12) (20%) 能根据实验指导能根据实验指导书要求撰写实验能根据实验指能根据实验指书要求撰写实验报告。报告叙述清导书要求撰写导书要求撰写报告。报告叙述实验报告楚，逻辑性好，且实验报告。报告实验报告。报告清楚，结构完整， (20%) 结构完整，层次分叙述清楚，结构叙述清楚，结构图表规范，有一明，图表规范，并定的见解。完整，图表较规完整，图表较规提出独到见解。 [16-18) 范。[12-16) 范。[0-12) [18-20) 2.实验设计演示与讲解：此本分占总成绩的55%，主要考核学生对知识的理解、运用与表达能力、采用现代工具和科学方法进行分析与系统思维的能力，以及对复杂问题的解决能力。总的实验成绩按照所设权重计入课程总评成绩中。表3实验成绩构成表考核内容优良中差能语言连贯、思路清语言较连贯、思路讲解PPT过在讲解PPT过表达能力晰的讲解PPT,清晰较清晰的讲解程中语言表程中思路较为 (20%) 的表达实验原理 PPT,能清晰的表达能力一般混乱，语言表达 15-20) 达实验原理[10-15) [5-10) 不清晰[0-5) 能使用仿真能较熟练地使用仿实验工具能熟练地使用仿真工具开展实能在同学帮助真工具开展实验，下使用仿真工的使用工具开展实验并理验，了解其了解其局限性。 (30%) 解其局限性。[28-30] 局限性。具开展实验。 [26-28) [0-22) [22-26) 实验方案能运用所学理论知能运用所学理论知掌握基本实掌握基本实验设计识、科学方法，结合识、科学方法，结验方法，能方法，能够在老 (10%) 实验条件，设计切实合实验条件，设计够按照给定师或同学帮助

1. 实验报告（3 次）：此部分占总成绩 45%，要求学生（以小组形式上交）能设计实验方案，记录、分析、解释数据，给出有效结论并撰写实验报告。（注：实验报告要求明确小组内成员分工及贡献率）表 2 实验报告成绩构成与考核标准考核内容优良中差完成进度（10%）完成 90%以上。 [9-10] 完成 80%~90%。 [8-9) 完成 60%~80%。 [6-8) 完成 60%以下。 [0-6) 正确性（50%）正确。[46-50] 基本正确。 [42-46) 大部分正确。 [34-42) 有较大缺陷。 [0-34) 分析与结论的有效性（20%）分析合理、结论有效。[18-20] 分析较合理、结论有效。[16-18) 分析较合理、结论基本有效。 [12-16) 存在严重错误。 [0-12) 实验报告（20%）能根据实验指导书要求撰写实验报告。报告叙述清楚，逻辑性好，且结构完整，层次分明，图表规范，并提出独到见解。 [18-20) 能根据实验指导书要求撰写实验报告。报告叙述清楚，结构完整，图表规范，有一定的见解。 [16-18) 能根据实验指导书要求撰写实验报告。报告叙述清楚，结构完整，图表较规范。[12-16) 能根据实验指导书要求撰写实验报告。报告叙述清楚，结构完整，图表较规范。[0-12) 2. 实验设计演示与讲解：此本分占总成绩的 55%，主要考核学生对知识的理解、运用与表达能力、采用现代工具和科学方法进行分析与系统思维的能力，以及对复杂问题的解决能力。总的实验成绩按照所设权重计入课程总评成绩中。表 3 实验成绩构成表考核内容优良中差表达能力（20%）能语言连贯、思路清晰的讲解 PPT，清晰的表达实验原理 [15-20) 语言较连贯、思路较清晰的讲解 PPT，能清晰的表达实验原理[10-15) 讲解 PPT 过程中语言表达能力一般 [5-10) 在讲解 PPT 过程中思路较为混乱，语言表达不清晰[0-5) 实验工具的使用（30%）能熟练地使用仿真工具开展实验并理解其局限性。[28-30] 能较熟练地使用仿真工具开展实验，了解其局限性。 [26-28) 能使用仿真工具开展实验，了解其局限性。 [22-26) 能在同学帮助下使用仿真工具开展实验。 [0-22) 实验方案设计（10%）能运用所学理论知识、科学方法，结合实验条件，设计切实能运用所学理论知识、科学方法，结合实验条件，设计掌握基本实验方法，能够按照给定掌握基本实验方法，能够在老师或同学帮助