1、Crazyflie無人機(jī)協(xié)同控制實驗平臺概述

無人機(jī)編隊與協(xié)同控制是目前的一個研究熱點(diǎn)。對此，本平臺提供了一套基于室內(nèi)定位系統(tǒng)的完整四旋翼編隊實驗解決方案。本平臺采用光學(xué)運(yùn)動捕捉技術(shù)（定位精度可達(dá)毫米級別)，并通過無線電網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多機(jī)間的通信，用戶能夠?qū)ython開發(fā)的無人機(jī)編隊算法直接生成代碼下載到無人機(jī)中，在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行多機(jī)編隊算法的驗證。

本平臺主要提供以下三個方面的研究：

?編隊隊形的設(shè)計：多個無人機(jī)在指令下運(yùn)行至的位置，并最終實現(xiàn)既定的編隊形態(tài)，除了需要考慮無人機(jī)氣動力影響之外，還要考慮任務(wù)要求及無人機(jī)間信息交換的冗余度，同時保證無人機(jī)之間不會發(fā)生碰撞。

?編隊隊形的保持：在無人機(jī)執(zhí)行指令過程中能克服來自系統(tǒng)內(nèi)部或者外在環(huán)境干擾，進(jìn)而保持整個隊形不變。

?編隊隊形的變換：在無人機(jī)行進(jìn)過程中能夠適應(yīng)來自系統(tǒng)內(nèi)部或外在環(huán)境干擾而對編隊做出適當(dāng)且合理的改變。

2、Crazyflie無人機(jī)協(xié)同控制實驗平臺系統(tǒng)特點(diǎn)

?室內(nèi)定位系統(tǒng)：采用室內(nèi)光學(xué)運(yùn)動捕捉技術(shù)，標(biāo)配定位范圍6m×6m，支持毫米級定位，能夠同時捕捉20+架左右的無人機(jī)；

?被控對象：本平臺系統(tǒng)支持20+架Crazyflie進(jìn)行編隊實驗（被控對象數(shù)目可根據(jù)實驗室具體情況擴(kuò)展）；

?無人機(jī)飛控： Crazyflie的控制芯片STM32F405 擁有強(qiáng)大的處理器功能，并可以通過添加擴(kuò)展板來增強(qiáng)，這為 Crazyflie 提供了額外的傳感、定位或可視化功能可以進(jìn)行擴(kuò)展實驗、改進(jìn)和添加新功能。

?基礎(chǔ)開發(fā)平臺：平臺以Python作為主要開發(fā)語言，可進(jìn)行多無人機(jī)軌跡規(guī)劃設(shè)計，通過無線電或藍(lán)牙下載到無人機(jī)控制芯片；

?運(yùn)動展示：Crazyflie配有閃爍LED燈，在展示飛行狀態(tài)的同時可提升編隊飛行的展示效果。

?擴(kuò)展開發(fā)語言：系統(tǒng)支持Python、C#、C/C++、JavaScript、Node.JS、Cylon.JS 或 Java ，適合有一定代碼開發(fā)能力的學(xué)生，進(jìn)一步錘煉代碼編程能力；

?應(yīng)用方向：可用于多無人機(jī)的控制研究、運(yùn)動規(guī)劃、編隊控制等。

3、系統(tǒng)架構(gòu)

    圖1硬件構(gòu)成圖

上圖為平臺系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖，主要包括如下：

?實時定位系統(tǒng)通過多個攝像頭完成無人機(jī)的圖形采集，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析獲得無人機(jī)精確的位置和姿態(tài)信息，并將處理結(jié)果發(fā)送給開發(fā)主機(jī)。

?實時控制系統(tǒng)開發(fā)主機(jī)主要完成算法開發(fā)和Linux實時目標(biāo)機(jī)功能：算法開發(fā)主要基于Python實現(xiàn)，結(jié)合我司提供的實時控制軟件，可實現(xiàn)代碼編寫、編譯和部署；開發(fā)主機(jī)可作為Linux實時目標(biāo)機(jī)（虛擬機(jī)也可以），運(yùn)行編寫的Python代碼。

?無人運(yùn)動平臺包括若干無人機(jī)（標(biāo)配為25個無人機(jī)），每個無人機(jī)上安裝有高性能計算單元和豐富的外圍傳感器，兼容Python，能夠基于Python進(jìn)行控制器開放式硬件在環(huán)設(shè)計。

3、實驗內(nèi)容

?數(shù)字仿真實驗（四旋翼單機(jī)、多機(jī)數(shù)字仿真、任務(wù)規(guī)劃、飛行視景等）；

?實物飛行實驗（四旋翼單機(jī)、多機(jī)控制實驗、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同控制等）；

?定位系統(tǒng)實驗（鏡頭標(biāo)定、剛體搭建、目標(biāo)獲取、多機(jī)數(shù)據(jù)融合等）；

?陸空協(xié)同控制測試實驗（多車、多機(jī)協(xié)同編隊運(yùn)行實驗）；

?Crazyflie編隊擴(kuò)展實驗（飛機(jī)組裝、Ubuntu環(huán)境搭建、Python程序Demo演示）。

4、應(yīng)用方向

?編隊隊形的設(shè)計：多個無人機(jī)在指令下運(yùn)行至位置，并最終實現(xiàn)既定的編隊形態(tài)，除了需要考慮無人機(jī)氣動力影響之外，還要考慮任務(wù)要求及無人機(jī)間信息交換的冗余度，同時保證無人機(jī)之間不會發(fā)生碰撞。

?編隊隊形的保持：在無人機(jī)執(zhí)行指令過程中能克服來自系統(tǒng)內(nèi)部或者外在環(huán)境干擾，進(jìn)而保持整個隊形不變。

?編隊隊形的變換：在無人機(jī)行進(jìn)過程中能夠適應(yīng)來自系統(tǒng)內(nèi)部或外在環(huán)境干擾而對編隊做出適當(dāng)且合理的改變。