电子科技大学航空航天学院 实验教案 (实验)课程名称：多智能飞行器协同综合创新实验I 电子科技大学教务处制表
电子科技大学 航空航天 学院 实 验 教 案 （实验）课程名称：多智能飞行器协同综合创新实验 I 电子科技大学教务处制表
实验一倾转旋翼机气动分析 一、 教学内容及要求 1、讲解倾转旋翼无人机的飞行原理和结构特点；（理解，1学时） 2、依据给定的设计要求和技术指标，初步拟定倾转旋翼无人机的结构方案和结构布局； (掌握，1学时) 3、使用Ansys Fluent分析软件进行气动仿真分析。（掌握，1学时) 4、思政案例融入：中国空气动力研究中心、航空航天之父钱学森。 二、 教学重点与难点 教学重点：气动飞行方法 教学难点：使用气动分析软件进行气动仿真分析。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生熟悉倾转旋翼无 人机的结构特点、掌握倾转旋翼无人机气动参数分析。 三、教学设计 1、实验设计 讲解倾转旋翼无人机的飞行原理和结构特点。 依据给定的设计要求和技术指标，初步拟定倾转旋翼无人机的结构方案和结构布局。 使用Solidworks建模软件，确定机身重量、翼展、机翼面积等飞行器参数，完成旋翼 机的结构设计。 利用Ansys Fluent分析软件，进行气动仿真分析。构建倾转旋翼机外流场的流线图、速 度分布图、压强分布图，分析所设计的倾转旋翼机升力系数、阻力系数、升力和阻力，压差
实验一 倾转旋翼机气动分析 一、 教学内容及要求 1、讲解倾转旋翼无人机的飞行原理和结构特点；（理解，1 学时） 2、依据给定的设计要求和技术指标，初步拟定倾转旋翼无人机的结构方案和结构布局； （掌握，1 学时） 3、使用 Ansys Fluent 分析软件进行气动仿真分析。（掌握，1 学时） 4、思政案例融入：中国空气动力研究中心、航空航天之父钱学森。 二、 教学重点与难点 教学重点：气动飞行方法 教学难点：使用气动分析软件进行气动仿真分析。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生熟悉倾转旋翼无 人机的结构特点、掌握倾转旋翼无人机气动参数分析。 三、 教学设计 1、实验设计 讲解倾转旋翼无人机的飞行原理和结构特点。 依据给定的设计要求和技术指标，初步拟定倾转旋翼无人机的结构方案和结构布局。 使用 Solidworks 建模软件，确定机身重量、翼展、机翼面积等飞行器参数，完成旋翼 机的结构设计。 利用 Ansys Fluent 分析软件，进行气动仿真分析。构建倾转旋翼机外流场的流线图、速 度分布图、压强分布图，分析所设计的倾转旋翼机升力系数、阻力系数、升力和阻力，压差
分布，气动力分布，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。 2、实验挑战性 挑战1倾转旋翼机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是典 型的多目标设计问题。倾转旋翼机数字化建模与结构设计涉及到飞行器结构设计和飞行动力 学等多门学科，这些学科相互影响、相互耦合，也是典型的多学科设计问题，其总体参数选择 是综合了多个学科的较复杂难题。 挑战2：本实验是基于数字化设计方法和数值仿真分析，确定满足要求的倾转旋翼无人 机结构。学生不仅需要掌握数字化设计流程，而且能够在数值仿真平台上进行结构与气动分 析。 基于以上挑战本实验将采用视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式。 四、 作业 完成课上未完成的倾转旋翼机数字化建模及气动分析。 五、 参考资料 《实验一实验指导书》 六、 教学后记 1、学生对空气动力学相关知识了解欠缺特别是流体力学 2、通过本实验学生熟悉了倾转旋翼无人机的结构特点，了解了相于传统固定翼或旋翼 无人机的优势；掌握了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；通过实验增强了对飞行器结构设计、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。激发了学生的行业荣誉感和国防使命感
分布，气动力分布，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。 2、实验挑战性 挑战 1：倾转旋翼机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,是典 型的多目标设计问题。倾转旋翼机数字化建模与结构设计涉及到飞行器结构设计和飞行动力 学等多门学科,这些学科相互影响、相互耦合,也是典型的多学科设计问题，其总体参数选择 是综合了多个学科的较复杂难题。 挑战 2：本实验是基于数字化设计方法和数值仿真分析，确定满足要求的倾转旋翼无人 机结构。学生不仅需要掌握数字化设计流程，而且能够在数值仿真平台上进行结构与气动分 析。 基于以上挑战本实验将采用视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式。 四、 作业 完成课上未完成的倾转旋翼机数字化建模及气动分析。 五、 参考资料 《实验一实验指导书》 六、 教学后记 1、学生对空气动力学相关知识了解欠缺特别是流体力学 2、通过本实验学生熟悉了倾转旋翼无人机的结构特点，了解了相于传统固定翼或旋翼 无人机的优势；掌握了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；通过实验增强了对飞行器结构设计、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。激发了学生的行业荣誉感和国防使命感
实验二倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真 一、 教学内容及要求 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、确定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最终通过综合仿真 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最终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） 6、思政案例融入：授课教师参与翼龙无人机在马兰研发、试飞的拼搏精神、马兰精神 以及讲授国家功勋试飞员（雷强）的空天情怀。 二、教学重点与难点 教学重点：倾转旋翼机旋翼模式、固定翼模式、倾转走廊建模。 教学难点：倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真分析。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生理解旋翼旋翼机 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。 三、教学设计 1、实验设计
实验二 倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真 一、 教学内容及要求 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、确定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最终通过综合仿真 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最终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） 6、思政案例融入：授课教师参与翼龙无人机在马兰研发、试飞的拼搏精神、马兰精神 以及讲授国家功勋试飞员（雷强）的空天情怀。 二、 教学重点与难点 教学重点：倾转旋翼机旋翼模式、固定翼模式、倾转走廊建模。 教学难点：倾转旋翼机飞行控制律设计与仿真分析。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生理解旋翼旋翼机 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。 三、 教学设计 1、实验设计
实验设计1：倾转旋翼机旋翼模式数字化模型的构建及仿真验证控制算法的有效性。 使用Matlab/Simulink平台构建飞行器的螺旋桨模型、电机模型、电调模型、电池模型、 旋翼拉力模型和刚体动力学模型，观察参数变化对多旋翼飞行器系统运行性能的影响； 根据一架多旋翼飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等飞行性能指标分析出多 旋翼飞行器最佳的动力系统配置方案； 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最终通过综合仿真验证 控制算法的有效性。 实验设计2：倾转旋翼机固定翼模式下的数字化模型的构建及仿真验证控制算法的有效 性。 使用Matlab/Simulink平台构建固旋翼飞行器机身与机翼气动力模型、V尾模型、推力 模型，重力模型以及飞行器六自由度运动方程模型，观察参数变化对固定翼飞行器系统运行 性能的影响； 从位置控制、姿态控制展开，讨论固旋翼飞行器的飞行稳定性并最终通过综合仿真验证 控制算法的有效性。 实验设计3：确定倾转旋翼机旋翼模式与固定翼模式之间切换的过渡走廊算法并建立数 字化模型； 使用Matlab/Simulink平台设计合理的短舱倾转角度和前飞速度的关系，即获取安全走 廊。 使用Matlab/Simulink平台设计不同海拔和空气密度条件下的安全过渡走廊，同时能够 对短舱倾转角度变化规律和短舱转速进行设计。 2、实验挑战性 本实验是基于数字化设计方法和数值仿真分析确定满足要求的倾转旋翼无人机控制算
实验设计 1：倾转旋翼机旋翼模式数字化模型的构建及仿真验证控制算法的有效性。 使用 Matlab/Simulink 平台构建飞行器的螺旋桨模型、电机模型、电调模型、电池模型、 旋翼拉力模型和刚体动力学模型，观察参数变化对多旋翼飞行器系统运行性能的影响； 根据一架多旋翼飞行器的悬停时间、最大负载重量和飞行距离等飞行性能指标分析出多 旋翼飞行器最佳的动力系统配置方案； 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最终通过综合仿真验证 控制算法的有效性。 实验设计 2：倾转旋翼机固定翼模式下的数字化模型的构建及仿真验证控制算法的有效 性。 使用 Matlab/Simulink 平台构建固旋翼飞行器机身与机翼气动力模型、V 尾模型、推力 模型，重力模型以及飞行器六自由度运动方程模型，观察参数变化对固定翼飞行器系统运行 性能的影响； 从位置控制、姿态控制展开，讨论固旋翼飞行器的飞行稳定性并最终通过综合仿真验证 控制算法的有效性。 实验设计 3：确定倾转旋翼机旋翼模式与固定翼模式之间切换的过渡走廊算法并建立数 字化模型； 使用 Matlab/Simulink 平台设计合理的短舱倾转角度和前飞速度的关系，即获取安全走 廊。 使用 Matlab/Simulink 平台设计不同海拔和空气密度条件下的安全过渡走廊，同时能够 对短舱倾转角度变化规律和短舱转速进行设计。 2、实验挑战性 本实验是基于数字化设计方法和数值仿真分析，确定满足要求的倾转旋翼无人机控制算
法。学生不仅需要掌握数字化设计流程而且能够在数值仿真平台上进行结果优化参数调节。 四、 作业 完成课上未完成的数字化建模及仿真分析。 五、 参考资料 《实验二实验指导书》 六、 教学后记 1、通过该实验学生掌握了倾转旋翼机控制律设计与分析，能够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；通过实验增强了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，培养了学生系统分析与思维能 力以及解决复杂问题的能力。同时，在此部分实验中融入了课程组教师的爱国情怀和工程伦 理价值观。 2、要求学生阅读相关书籍，了解飞控设计最新控制策略
法。学生不仅需要掌握数字化设计流程，而且能够在数值仿真平台上进行结果优化参数调节。 四、 作业 完成课上未完成的数字化建模及仿真分析。 五、 参考资料 《实验二实验指导书》 六、 教学后记 1、通过该实验学生掌握了倾转旋翼机控制律设计与分析，能够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；通过实验增强了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，培养了学生系统分析与思维能 力以及解决复杂问题的能力。同时，在此部分实验中融入了课程组教师的爱国情怀和工程伦 理价值观。 2、要求学生阅读相关书籍，了解飞控设计最新控制策略
实验三倾转旋翼飞行器单机设计制造与试飞 一、 教学内容及要求 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） 4、思政案例融入：中国制造、飞行器动力装置（大国工匠）。 二、 教学重点与难点 教学重点：倾转旋翼机硬件选型、组装与调试。 教学难点：倾转旋翼机组装与调试。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生掌握旋翼飞行器 制作组装与调试方法；培养学生科学的思维方法和科学研究的能力，以及以应用为指向的工 程观点。 三、 教学设计 1、实验设计 实验设计1：倾转旋翼机硬件选型、组装与调试 基于实验内容一确定的倾转旋翼机结构参数，合理选择组件材料，制作单机。实验选择 轻质KT板作为飞行器机身及翼面的主要材料，整体骨架采用质量轻、硬度较硬的碳棒和 轻质的桃木。根据学生设计的倾转旋翼机结构，以小组的形式搭建机身骨架、舵面控制、旋 转机构以及硬件设备
实验三 倾转旋翼飞行器单机设计制造与试飞 一、 教学内容及要求 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） 4、思政案例融入：中国制造、飞行器动力装置（大国工匠）。 二、 教学重点与难点 教学重点：倾转旋翼机硬件选型、组装与调试。 教学难点：倾转旋翼机组装与调试。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生掌握旋翼飞行器 制作组装与调试方法；培养学生科学的思维方法和科学研究的能力，以及以应用为指向的工 程观点。 三、 教学设计 1、实验设计 实验设计 1：倾转旋翼机硬件选型、组装与调试 基于实验内容一确定的倾转旋翼机结构参数，合理选择组件材料，制作单机。实验选择 轻质 KT 板作为飞行器机身及翼面的主要材料，整体骨架采用质量轻、硬度较硬的碳棒和 轻质的桃木。根据学生设计的倾转旋翼机结构，以小组的形式搭建机身骨架、舵面控制、旋 转机构以及硬件设备
实现倾转机构，飞行器初始状态的旋翼是垂直向上的，此时处于旋翼机模式。通过桨叶 高速旋转产生升力，将飞行器抬升到安全高度。之后，通过遥控指令可以控制飞行器的舵机 旋转，将螺旋桨与机翼连接的部分旋转，使得桨叶旋转90°，此时处于固定翼模式，可以进 行高速飞行。旋转过程中的状态为过渡模式。此旋转机构能够确保桨叶在三种状态时都能够 稳定地高度转动。 实验设计2： 在控制板中加载实验二中设计验证后的控制律算法，通过遥控指令在室内开展旋翼模式 下悬停实验。 2、实验挑战性 挑战1：由于倾转旋翼机机身结构的特殊性，需要更加综合的考虑机身材料、结构、强 度等问题，同时也对学生的动手实践能力与团队协作能力提出了较高的要求。 挑战2：对于倾转旋翼机的悬停实验与试飞实验，要求学生的动手试飞能力以及对问题 的综合分析解决能力。 四、 作业 完成课上未完成的数字化建模及仿真分析。 五、 参考资料 《实验三实验指导书》 六、教学后记 1、通过该实验使学生深入理解了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。 2、该部分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
实现倾转机构，飞行器初始状态的旋翼是垂直向上的，此时处于旋翼机模式。通过桨叶 高速旋转产生升力，将飞行器抬升到安全高度。之后，通过遥控指令可以控制飞行器的舵机 旋转，将螺旋桨与机翼连接的部分旋转，使得桨叶旋转 90°，此时处于固定翼模式，可以进 行高速飞行。旋转过程中的状态为过渡模式。此旋转机构能够确保桨叶在三种状态时都能够 稳定地高度转动。 实验设计 2： 在控制板中加载实验二中设计验证后的控制律算法，通过遥控指令在室内开展旋翼模式 下悬停实验。 2、实验挑战性 挑战 1：由于倾转旋翼机机身结构的特殊性，需要更加综合的考虑机身材料、结构、强 度等问题，同时也对学生的动手实践能力与团队协作能力提出了较高的要求。 挑战 2：对于倾转旋翼机的悬停实验与试飞实验，要求学生的动手试飞能力以及对问题 的综合分析解决能力。 四、 作业 完成课上未完成的数字化建模及仿真分析。 五、 参考资料 《实验三实验指导书》 六、 教学后记 1、通过该实验使学生深入理解了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。 2、该部分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
实验四多无人机编队协同控制设计与验证 一、 教学内容及要求 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） 5、思政案例融入：职业素养。 二、 教学重点与难点 教学重点：搭建多机协同飞行动力学模型。 教学难点：FlightGear中的可视化飞行器本体模型驱动方式。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生掌握多无人机编 队协同控制设计与验证方法。 三、 教学设计 1、实验设计 搭建AC3D1 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。 2、实验挑战性 挑战1：对于多目标的协同控制本身就是一个考虑因素众多的复杂问题，对学生的系统 思维与对复杂工程的解决能力提出了高要求
实验四 多无人机编队协同控制设计与验证 一、 教学内容及要求 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） 5、思政案例融入：职业素养。 二、 教学重点与难点 教学重点：搭建多机协同飞行动力学模型。 教学难点：FlightGear 中的可视化飞行器本体模型驱动方式。 解决办法：视频演示+多媒体课件+实验指导书三者相结合方式让学生掌握多无人机编 队协同控制设计与验证方法。 三、 教学设计 1、 实验设计 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。 2、实验挑战性 挑战 1：对于多目标的协同控制本身就是一个考虑因素众多的复杂问题，对学生的系统 思维与对复杂工程的解决能力提出了高要求
挑战2：多机编队协同控制需要小组之间合作完成，各自合理分工，共同解决遇到的问 题与挑战。 四、 作业 完成课上未完成的数字化建模及仿真分析。 五、 参考资料 《实验四实验指导书》 六、教学后记 1、本实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。 2、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
挑战 2：多机编队协同控制需要小组之间合作完成，各自合理分工，共同解决遇到的问 题与挑战。 四、 作业 完成课上未完成的数字化建模及仿真分析。 五、 参考资料 《实验四实验指导书》 六、 教学后记 1、本实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。 2、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