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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具編隊(duì)仿真平臺
搭建滿足多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)仿真的多無人機(jī)仿真平臺，對于加快開發(fā)周期，降低多無人機(jī)編隊(duì)試驗(yàn)成本，具有十分重要的意義。當(dāng)前國內(nèi)外已有一些針對無人機(jī)編隊(duì)或多無人機(jī)仿真系統(tǒng)的研究，主要分為如下4類。
單系統(tǒng)仿真平臺。利用C++開發(fā)出了Multi無人機(jī)2系統(tǒng)，用于協(xié)同控制研究。美國陸軍研究所Garcia基于商用飛行模擬器軟件 X-Plane和MATLAB開發(fā)的多無人機(jī)仿真平臺，實(shí)現(xiàn)了4臺無人機(jī)編隊(duì)仿真。清華大學(xué)周昊等，基于多 Agent 技術(shù)開發(fā)出了名為無人機(jī)sim的仿真平臺，采用分層的體系結(jié)構(gòu)，在單系統(tǒng)內(nèi)將算法、內(nèi)核和顯示完全分離，實(shí)現(xiàn)了多無人機(jī)的仿真， 此類系統(tǒng)成本較低，又可以驗(yàn)證無人機(jī)機(jī)群控制及協(xié)同規(guī)劃算法，但與真實(shí)無人機(jī)編隊(duì)的分布式體系結(jié)構(gòu)不符，不能有效仿真無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃的全過程。
基于 HLA(high level architecture)架構(gòu)的分布式系統(tǒng)仿真平臺。HLA是由美國國防部在90年代末提出的，是目前分布式系統(tǒng)仿真的主要技術(shù)之一。基于 HLA 的仿真不需要處理底層通信傳輸、仿真運(yùn)行管理的細(xì)節(jié)，實(shí)驗(yàn)者可將主要精力放在具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)上。部分公司開發(fā)出基于HLA 的仿真平臺,比如 VR-Forces、 FLAMES等，它們對底層的RTI進(jìn)行了封裝，提供了更加靈活強(qiáng)大的 API 函數(shù)，降低了開發(fā)難度。合肥工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了基于VR-Force的分布式的無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃仿真系統(tǒng)，能夠仿真多種任務(wù)場景下的無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同任務(wù)規(guī)劃過程，以幫助驗(yàn)證不同類型的協(xié)同任務(wù)規(guī)劃算法，仿真展示度高，但是也帶來了較高的建設(shè)成本。
自主開發(fā)的多飛行器編隊(duì)分布式虛擬系統(tǒng)仿真平臺。該類平臺是對除了HLA架構(gòu)以外所有的分布式仿真平臺的概括。天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的多飛行器編隊(duì)仿真平臺，由模型計(jì)算機(jī)、系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)、視景顯示計(jì)算機(jī)、PC104控制器、無線AP/路由器以及Wi-Fi無線通信模塊組成。模型計(jì)算機(jī)采用xPC仿真環(huán)境，運(yùn)行單飛行器動力學(xué)以及環(huán)境模型；系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)發(fā)出任務(wù)指令，并監(jiān)控整個系統(tǒng)的運(yùn)行；視景顯示計(jì)算機(jī)實(shí)時地進(jìn)行視景顯示；PC104控制器運(yùn)行飛行控制算法，實(shí)現(xiàn)對單飛行器的控制；無線AP/路由器作為系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的中轉(zhuǎn)站，實(shí)現(xiàn)信息交換；Wi-Fi無線通信模塊使有線通信方式轉(zhuǎn)為無線連接。實(shí)現(xiàn)了對于多飛行器編隊(duì)系統(tǒng)的實(shí)時仿真、視景顯示、算法驗(yàn)證、通信組網(wǎng)等功能. 該團(tuán)隊(duì)突破了xPC平臺和dSPACE平臺兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了對于多無人機(jī)編隊(duì)飛行控制算法的半實(shí)物仿真驗(yàn)證與性能評估。此類平臺靈活度較大，可以有效對協(xié)同控制算法和軌跡優(yōu)化算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，但內(nèi)部通信機(jī)制和管理機(jī)制的搭建，需要自主研發(fā)，具有一定難度。
整自主開發(fā)的多無人機(jī)編隊(duì)分布實(shí)物系統(tǒng)仿真平臺，整個系統(tǒng)由室內(nèi)定位系統(tǒng)、多無人機(jī)、ZigBee無線傳輸以及地面站組成。首先室內(nèi)定位系統(tǒng)借助紅外攝像頭對各無人機(jī)上的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行抓拍，通過解算實(shí)時地計(jì)算出每架無人機(jī)的當(dāng)前位置，并以TCP/IP協(xié)議的方式傳送給地面站；地面站借助ROS通信機(jī)制，在接收定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)的同時運(yùn)行相關(guān)決策算法,計(jì)算出每架無人機(jī)下一時刻的期望位置，并通過ZigBee無線通信發(fā)送出去；無人機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)以分布式、自組網(wǎng)的形式進(jìn)行搭建，每架無人機(jī)均可與地面站通信，同時彼此間也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；各無人機(jī)接收地面站傳來的數(shù)據(jù)，提取自身當(dāng)前位置與期望位置，運(yùn)行機(jī)載控制算法，驅(qū)動無人機(jī)運(yùn)動到設(shè)定的位置，如此循環(huán)往復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)編隊(duì)飛行的仿真驗(yàn)證。目前該平臺已突破XBEE分布式網(wǎng)絡(luò)和PIXHAWK開源飛控兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，并成功嵌入人工勢場法、圖論法等編隊(duì)理論算法。在室內(nèi)也已實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、直線、圓等常用隊(duì)形演示，同時在飛行過程中可實(shí)時對無人機(jī)編隊(duì)進(jìn)行隊(duì)形切換. 該平臺可以為多無人機(jī)飛行過程算法提供數(shù)據(jù)支持，并可以直接充當(dāng)演示效果。所以，該平臺可以很好的為理論研究服務(wù)，避免不必要的經(jīng)費(fèi)投入。
正如，飛思實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的這款基于室內(nèi)光學(xué)定位系統(tǒng)的室內(nèi)多旋翼控制平臺，不僅實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)無人機(jī)集群飛行、集群算法、編隊(duì)通信原理等教學(xué)實(shí)驗(yàn)，能夠更有效的幫助教研工作者，專注于無人機(jī)多機(jī)協(xié)同編隊(duì)等無人機(jī)集群關(guān)鍵技術(shù)研究，檢驗(yàn)理論成果，提升實(shí)驗(yàn)效率，更能大大推動教學(xué)研一體化進(jìn)程，加速教學(xué)、科研的進(jìn)度。而且它是基于Matlab或ROS的飛行場景仿真器可較真實(shí)模擬真實(shí)飛行器的動態(tài)，并且可模擬節(jié)點(diǎn)通訊方式，方便后續(xù)仿真。Matlab或ROS的地面控制站可實(shí)時讀取基于ROS的飛行場景仿真器、光學(xué)室內(nèi)定位系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，還能讀寫真實(shí)多旋翼飛行器節(jié)點(diǎn)，從而能夠在Matlab或ROS平臺下統(tǒng)一地從仿真到真實(shí)實(shí)驗(yàn)，最終輕松完成多旋翼飛行器的控制。
可開設(shè)課程多樣化：
多旋翼濾波器設(shè)計(jì)；
多旋翼定點(diǎn)位置控制器設(shè)計(jì)；
多旋翼路徑跟隨控制器設(shè)計(jì)；
多旋翼跟蹤控制器設(shè)計(jì)；
多旋翼避障控制器設(shè)計(jì)；
多旋翼區(qū)域覆蓋決策設(shè)計(jì)；
多機(jī)編隊(duì)控制設(shè)計(jì)；
多機(jī)投遞決策設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)組成：
光學(xué)室內(nèi)定位系統(tǒng)多旋翼飛行器
基于Matlab或ROS的編隊(duì)控制站
實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)包（指導(dǎo)書、視頻、例程）
系統(tǒng)特點(diǎn)：
平臺統(tǒng)一，高效易用，強(qiáng)勢助力科研
身材Mini續(xù)航久，與平臺完美兼容
權(quán)威教科書級指導(dǎo)，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
視頻和例程由淺入深，輕松上手
結(jié)論與展望
通過對近年來國內(nèi)外多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行控制幾個關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)展的綜述，同時展望了每種關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢，具體得出以下結(jié)論：
1)現(xiàn)有的任務(wù)分配和航跡規(guī)劃主要針對離線無人機(jī)編隊(duì)任務(wù)分配和航跡規(guī)劃展開研究，未來研究應(yīng)圍繞復(fù)雜環(huán)境及有限通信環(huán)境下的無人機(jī)編隊(duì)實(shí)時任務(wù)分配和多異構(gòu)無人機(jī)編隊(duì)實(shí)時協(xié)同航跡規(guī)劃展開。
2)多無人機(jī)編隊(duì)飛行的控制方法大部分實(shí)現(xiàn)了2維編隊(duì)，對于3維立體編隊(duì)的編隊(duì)控制策略研究很少。如何綜合利用各種編隊(duì)控制方法的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境和突發(fā)情況下的編隊(duì)形成、保持與重構(gòu)，是未來研究者所要追尋的目標(biāo)。
3)針對無人機(jī)多傳感器數(shù)據(jù)融合問題的研究與實(shí)現(xiàn)主要停留在單個無人機(jī)攜帶的多傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，而對多無人機(jī)編隊(duì)所攜帶的多傳感器數(shù)據(jù)融合問題的研究較少，且大多停留在理論與算法研究上。如何通過合理利用多無人機(jī)編隊(duì)的多傳感器進(jìn)行協(xié)同感知，擴(kuò)大感知范圍，提升感知精度，是未來多無人機(jī)編隊(duì)需要研究重點(diǎn)問題。
4)編隊(duì)間的通信研究都是針對某一性能進(jìn)行的改進(jìn)，仍停留在理論層面，沒有應(yīng)用在實(shí)際工程中；未來需要結(jié)合現(xiàn)有移動自組網(wǎng)技術(shù)建立通信標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與其他平臺的互聯(lián)互通。
5)仿真平臺大部分是對已有算法的仿真和驗(yàn)證，對多無人機(jī)編隊(duì)飛行實(shí)物演示驗(yàn)證較少。編隊(duì)仿真平臺應(yīng)以分布式結(jié)構(gòu)為主流，針對實(shí)物硬件及虛擬軟件環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)集成，推動并簡化計(jì)算，以便更好地適應(yīng)多核技術(shù)迅速發(fā)展的背景。
總之，多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行控制的理論雖然取得了豐富成果，但是隨著環(huán)境日益復(fù)雜和任務(wù)的多種多樣，各種多無人機(jī)協(xié)同編隊(duì)飛行關(guān)鍵技術(shù)也需要迅速發(fā)展。未來會出現(xiàn)異構(gòu)多無人機(jī)之間的協(xié)同編隊(duì)，并且通信環(huán)境會異常復(fù)雜，感知約束也會隨環(huán)境的復(fù)雜而增大，迫切需要開展在感知約束和復(fù)雜通信環(huán)境下的強(qiáng)魯棒、高精度編隊(duì)控制設(shè)計(jì)研究。
2025-09-16 09:27
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