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技術(shù)分享|一種多智能體空地協(xié)同算法開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)

2022-07-02 11:21 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：飛思實(shí)驗(yàn)室 來(lái)源：飛思實(shí)驗(yàn)室
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引言空地協(xié)作屬于多智能體協(xié)作中的異構(gòu)智能體協(xié)作，是當(dāng)今多智能體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。系統(tǒng)分利用了異構(gòu)多機(jī)器人的功能互補(bǔ)性，組成跨域協(xié)作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)協(xié)同和信...

引言

空地協(xié)作屬于多智能體協(xié)作中的異構(gòu)智能體協(xié)作，是當(dāng)今多智能體研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。系統(tǒng)分利用了異構(gòu)多機(jī)器人的功能互補(bǔ)性，組成跨域協(xié)作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任務(wù)協(xié)同和信息共享，從本質(zhì)上提升了面對(duì)復(fù)雜環(huán)境和任務(wù)規(guī)劃的感知能力、執(zhí)行能力和運(yùn)行效率。


空地協(xié)同系統(tǒng)中多智能體平臺(tái)包含無(wú)人機(jī)與無(wú)人車(chē)兩類(lèi)。由于二者在動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)速度、傳感器配置、通信功能、載重、續(xù)航等方面的巨大差異性和局限性，一方面在一定程度上降低了各自獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)的效率；另一方面，由于二者在功能特點(diǎn)上的互補(bǔ)性，使得由無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)在互相協(xié)同下能夠完成各種復(fù)雜任務(wù)。

為了能使無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)智能體平臺(tái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，整個(gè)空地系統(tǒng)需要處理來(lái)自完全不同的智能體平臺(tái)數(shù)據(jù)，并依據(jù)決策分析模塊，有效協(xié)同無(wú)人機(jī)和無(wú)人車(chē)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和任務(wù)執(zhí)行控制，如下圖所示。如何基于空地協(xié)同多智能體平臺(tái)開(kāi)展面向任務(wù)的協(xié)同算法研究便成為研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

空地協(xié)同系統(tǒng)架構(gòu)圖

飛思實(shí)驗(yàn)室空地協(xié)同算法開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)

01 平臺(tái)介紹

飛思實(shí)驗(yàn)室基于多智能體空地協(xié)同的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)，為各研究單位提供了一套完整的空地協(xié)同算法開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)，這里介紹最經(jīng)典的室內(nèi)光學(xué)動(dòng)捕版本。

多智能體空地協(xié)同算法開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)，具備室內(nèi)無(wú)人機(jī)定位與無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)集群控制能力，與天地協(xié)同集群控制地面站配合使用，可為無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)群集教學(xué)與研發(fā)提供教學(xué)演示快速研發(fā)平臺(tái)，提高教學(xué)研一體化能力，同時(shí)可快速檢驗(yàn)與演示無(wú)人機(jī)、無(wú)人車(chē)集群控制算法研發(fā)成果。


具體功能如下：

  1. 具有精準(zhǔn)且實(shí)時(shí)的智能體無(wú)人機(jī)、智能體無(wú)人車(chē)定位功能；

  2. 具有記錄智能體無(wú)人機(jī)、智能體無(wú)人車(chē)運(yùn)動(dòng)軌跡能力；

  3. 具有實(shí)時(shí)解算六自由度位姿功能；

  4. 具有多智能體無(wú)人機(jī)、智能體無(wú)人車(chē)協(xié)同控制能力；

  5. 具有多智能體無(wú)人機(jī)、智能體無(wú)人車(chē)協(xié)同運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能力；

  6. 具有智能體無(wú)人機(jī)、智能體無(wú)人車(chē)協(xié)同控制二次開(kāi)發(fā)接口；

  7. 具有智能體無(wú)人機(jī)、智能體無(wú)人車(chē)控制與協(xié)同控制代碼完全開(kāi)源，支持算法修改能力；

  8. 具有精準(zhǔn)且實(shí)時(shí)的智能體無(wú)人機(jī)、智能體無(wú)人車(chē)定位功能；

  9. 具有完整的實(shí)驗(yàn)輔助資料以及示例算法代碼；

10.智能體無(wú)人機(jī)智能體無(wú)人車(chē)協(xié)同控制實(shí)例包含：

①多智能體無(wú)人機(jī)協(xié)同順序編隊(duì)圓周飛行；②多智能體無(wú)人機(jī)協(xié)同順序編隊(duì)主從跟隨；③智能體無(wú)人機(jī)智能體無(wú)人車(chē)空地協(xié)同；④ 智能體無(wú)人機(jī)車(chē)載起降；

02 平臺(tái)設(shè)計(jì)

飛思實(shí)驗(yàn)室的多智能體空地協(xié)同算法開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)主要由室內(nèi)光學(xué)定位系統(tǒng)、多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)、智能體無(wú)人機(jī)、智能體無(wú)人車(chē)四部分組成。包含室內(nèi)光學(xué)定位系統(tǒng)1套，為無(wú)人機(jī)提供高精度豪米級(jí)跟蹤定位能力，多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)1套，提供無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同控制與任務(wù)規(guī)劃能力，智能體無(wú)人機(jī)N架，智能體無(wú)人車(chē)N輛，用于開(kāi)展多智能體協(xié)同任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同控制等相關(guān)研究與教學(xué)實(shí)驗(yàn)演示。

平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)和空間布局圖如下圖所示：

2.1

室內(nèi)光學(xué)定位系統(tǒng)

室內(nèi)光學(xué)定位系統(tǒng)布置在實(shí)飛實(shí)驗(yàn)區(qū)域四周，布置區(qū)域大小根據(jù)科研場(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)而定，主要設(shè)備由運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)、圖像定位處理工作站、圖像定位解算軟件、反光標(biāo)識(shí)點(diǎn)等4部分構(gòu)成。

室內(nèi)光學(xué)定位系統(tǒng)提供高精度毫米級(jí)無(wú)人系統(tǒng)跟蹤定位能力，以每秒100幀以上的拍攝速率捕捉無(wú)人機(jī)上固定的特制的標(biāo)記點(diǎn)，為無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同控制提供導(dǎo)航與跟蹤控制能力。采用頂裝桁架?chē)@飛行區(qū)域布置一套運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)對(duì)整個(gè)飛行區(qū)域進(jìn)行視覺(jué)定位覆蓋。

01/運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)

在所需的最大高度的捕獲空間安裝相機(jī)，將相機(jī)等距的環(huán)繞分布在捕獲區(qū)域，調(diào)整攝像機(jī)的角度，朝向捕捉空間中心，鏡頭均勻分布可以使鏡頭覆蓋場(chǎng)地范圍更大，能夠盡可能減少盲區(qū)。從而可以保證測(cè)得的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，誤差最小。

02/圖像定位處理工作站

圖像定位處理工作站作為圖像解算設(shè)備，能夠根據(jù)運(yùn)動(dòng)捕捉攝像機(jī)捕獲的2D圖像解算出3D空間和運(yùn)動(dòng)物體的六自由度位姿，即三自由度位置（X, Y,Z坐標(biāo)）和三自由度姿態(tài)（俯仰角，偏航角和滾轉(zhuǎn)角）。

03/圖像定位解算軟件

該軟件支持一鍵式創(chuàng)建剛體，支持編輯剛體的屬性，實(shí)時(shí)輸出位置(X,Y,Z)和姿態(tài)(Pitch, Yaw, Roll)。通過(guò)接收無(wú)人機(jī)上光標(biāo)標(biāo)記點(diǎn)的二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，計(jì)算反光標(biāo)記點(diǎn)的3D坐標(biāo)，確定出無(wú)人機(jī)的位置及朝向，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的定位與跟蹤；

2.2

智能體無(wú)人機(jī)

飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用四旋翼機(jī)型，具有飛行時(shí)間長(zhǎng)、載重大、飛行穩(wěn)定等特點(diǎn)。使用高精度3D打印技術(shù)制造，機(jī)體小巧輕便，飛行時(shí)間長(zhǎng)。內(nèi)部采用激光定高和光流定點(diǎn)，性能優(yōu)秀，飛行穩(wěn)定，使用簡(jiǎn)單，一鍵起降。搭載協(xié)同控制與通訊模塊，滿(mǎn)足室內(nèi)智能體無(wú)人機(jī)協(xié)同控制需求。

2.3

智能體無(wú)人車(chē)

應(yīng)用高強(qiáng)度鋁合金設(shè)計(jì)制造，載重大、減振性能強(qiáng)、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。運(yùn)行穩(wěn)定，使用簡(jiǎn)單；支持智能體無(wú)人車(chē)協(xié)同控制；采用后置麥克納姆輪設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)彎半徑??；可與智能體無(wú)人機(jī)結(jié)合進(jìn)行天地一體協(xié)同控制。

2.4

多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)

多智能體協(xié)同控制系統(tǒng)為多智能體協(xié)同飛行、任務(wù)規(guī)劃控制提供基礎(chǔ)平臺(tái)，主要包括多智能體控制研發(fā)工作站、專(zhuān)用無(wú)線路由器、數(shù)據(jù)交換機(jī)、多智能體協(xié)同控制開(kāi)發(fā)環(huán)境、多智能體導(dǎo)航定位系統(tǒng)接口軟件、多智能體控制接口軟件、多智能體協(xié)同控制軟件等7個(gè)部分組成。

平臺(tái)典型應(yīng)用案例

飛思實(shí)驗(yàn)室多智能體空地協(xié)同算法開(kāi)發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)，算法測(cè)試效果圖如下：

我們的平臺(tái)已在以下院校得到成功應(yīng)用。

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