01
课程导论与预备知识
无人机避障技术发展现状 · AI运动控制算法概览 · 课程目标与学习路径 · 所需软硬件环境准备（ROS、Gazebo、PX4）
导论环境配置
02
无人机运动学与动力学基础
坐标系定义（世界系、机体系、导航系）· 欧拉角与四元数 · 无人机动力学模型简化 · 控制分配矩阵
运动学建模
03
传感器原理与数据处理
激光雷达（LiDAR）工作原理与点云数据 · 深度相机（RGB-D）与视觉数据 · IMU与里程计数据融合 · 传感器标定基础
传感器标定
04
环境感知与障碍物表征
点云预处理（滤波、降采样）· 障碍物检测与聚类（DBSCAN）· 障碍物包围盒拟合（AABB/OBB）· 占据栅格地图构建
感知聚类
05
传统避障算法回顾
人工势场法（APF）原理与实现 · 向量场直方图（VFH）算法 · 动态窗口法（DWA）原理 · 传统方法的局限性分析
经典算法APF
06
AI运动控制算法总览
端到端学习 vs 模块化方法 · 强化学习（RL）在避障中的应用 · 模仿学习（IL）与行为克隆 · 深度神经网络（DNN）基础回顾
AI总览RL
07
深度强化学习核心理论
马尔可夫决策过程（MDP）· 策略梯度与Q学习 · PPO算法原理详解 · 奖励函数设计原则
DRLPPO
08
仿真环境搭建与配置
ROS + Gazebo 联合仿真环境安装 · 无人机模型（如iris）加载与配置 · 自定义障碍物场景创建 · 传感器仿真插件配置
仿真Gazebo
09
基于PPO的避障算法实现（上）
状态空间设计（激光雷达数据、目标相对位置）· 动作空间设计（速度与角速度指令）· 神经网络结构设计（Actor-Critic）
PPO实现
10
基于PPO的避障算法实现（下）
奖励函数具体设计（到达奖励、碰撞惩罚、平滑度奖励）· 训练脚本编写（Stable-Baselines3）· 训练过程监控与调参
奖励设计训练
11
模仿学习在避障中的应用
专家数据采集（人工遥控或传统算法）· 行为克隆（BC）实现 · DAgger算法与交互式模仿学习 · IL与RL的对比与结合
模仿学习BC
12
端到端视觉避障
卷积神经网络（CNN）处理深度图像 · 端到端网络结构设计（输入图像 -> 输出控制量）· 数据增强与泛化能力 · 在仿真中的训练与测试
视觉端到端
13
算法部署与实飞准备
模型导出（ONNX/TensorRT）· C++推理引擎集成 · PX4 Offboard模式控制 · 机载计算机（如NVIDIA Jetson）配置
部署Jetson
14
实飞测试与调试
实飞安全策略（紧急降落、地理围栏）· 传感器数据实时可视化 · 算法性能评估指标（成功率、平均飞行时间）· 常见实飞问题排查
实飞调试
15
多传感器融合避障
扩展卡尔曼滤波（EKF）融合IMU与视觉里程计 · 激光雷达与深度相机数据融合策略 · 基于置信度的传感器管理 · 鲁棒性提升技巧
融合EKF
16
动态障碍物避障
障碍物速度估计（卡尔曼滤波跟踪）· 速度障碍法（VO）原理 · 结合RL的动态避障策略 · 仿真与实测案例分析
动态VO
17
未知环境探索与避障
边界探索（Frontier Exploration）算法 · 结合避障的自主导航框架 · 局部规划器与全局规划器协同 · 基于学习的探索策略
探索导航
18
多无人机协同避障
集中式 vs 分布式架构 · 协同感知与地图共享 · 编队保持与避碰 · 基于多智能体强化学习（MARL）的协同避障
多机MARL
19
算法鲁棒性与泛化性提升
领域随机化（Domain Randomization）· 对抗性训练 · 模型轻量化与剪枝 · 跨场景迁移学习
鲁棒性泛化
20
基于MPC的AI混合控制
模型预测控制（MPC）原理 · 将RL策略作为MPC参考输入 · MPC与RL的优缺点互补 · 混合控制器实现
MPC混合
21
避障算法的实时性优化
CUDA加速点云处理 · TensorRT模型推理优化 · 多线程与异步处理架构 · 系统延迟分析与瓶颈定位
优化实时
22
课程项目实战（一）：需求分析与方案设计
项目目标（室内避障穿越）· 技术选型（算法、硬件、框架）· 系统架构图设计 · 任务分工与里程碑
项目设计
23
课程项目实战（二）：仿真环境搭建与算法训练
搭建复杂障碍物仿真场景 · 训练PPO避障策略 · 策略评估与迭代优化 · 生成训练报告
仿真训练
24
课程项目实战（三）：实机部署与飞行测试
模型部署到Jetson Orin · 编写Offboard控制节点 · 实飞测试与数据记录 · 失败案例分析
部署实飞
25
课程项目实战（四）：性能优化与成果展示
算法参数调优 · 飞行轨迹平滑处理 · 录制演示视频 · 撰写项目总结文档
优化展示
26
前沿技术展望（一）
基于Transformer的避障策略 · 视觉语言模型（VLM）在导航中的应用 · 神经辐射场（NeRF）用于环境建模
TransformerVLM
27
前沿技术展望（二）
事件相机（Event Camera）在高速避障中的应用 · 安全强化学习（Safe RL）与约束满足 · 具身智能与无人机操作结合
事件相机Safe RL
28
避障算法的测试与评估体系
自动化测试脚本编写 · 仿真测试集构建（不同光照、纹理、障碍物密度）· 实飞测试标准流程 · 算法对比基准（Benchmark）
测试评估
29
常见问题与避坑指南
训练不收敛的排查方法 · 仿真到实物的迁移（Sim-to-Real）鸿沟 · 传感器噪声处理技巧 · 硬件选型常见误区
避坑Sim2Real
30
课程总结与未来学习路径
核心知识点回顾 · 推荐进阶书籍与论文 · 开源项目与社区资源 · 职业发展建议与研究方向
总结路径