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无人系统平台

时间:[2017-12-28]  来源:

一、背景

新世纪以来,人工智能、大数据、高性能计算和互联网等新一代信息技术的迅猛发展掀起了传统行业数字化、网络化和智能化的颠覆性变革,造就新模式、新业态,催生新产业革命,从而改变人类社会、改变世界。无人系统正以其独特的方式撼动着交通物流、制造、能源等实体经济行业。它是发展中国家产业升级和发达国家“再工业化”所依托的核心技术,将为我国催生新兴产业,推动创新型国家建设,实现经济转型和动能转换,建立绿色和谐生态环境等提供宝贵的战略契机。

二、目标

本平台采用无人车和无人机组成跨域集群无人系统,以“站得高看得远”克服无人车感知能力弱这一技术瓶颈,以“协同感知、协同规划、协同行动”来提升整体无人系统达成任务的能力。内容涉及跨域集群无人系统的三大科学问题和七项关键技术,不仅有益于研发实用型“无人机引导无人车”系统,对深入理解跨域集群无人系统的协同机制,资源配置和群体性能优化,最终构建群体无人系统设计原理,解决智能交通、智能制造、智慧城市所面临的科学问题和关键技术都具有重要意义。

三、总体框架

跨域集群平台由空中的一架或多架微型无人机和地面上的一辆或多辆无人车组成。其中,微型无人机具有飞行速度快、运动自由度高、视野广阔等优点,能够用于增强无人车的感知能力,但其载荷能力相对较小、能源储备受限,因此可搭载轻型可见光视觉传感器、低功耗计算平台、轻型无线通信设备等任务载荷;而无人车则具有载荷能力大、能源储备能力强的优点,因此可搭载三维激光雷达、立体视觉传感器、处理能力较高的车载计算平台、高性能无线通信设备等任务载荷。跨域集群中个体之间通过无线通信实现信息交换,形成了一个可扩展的分布式物理架构。

从提升无人车感知能力和行进速度的目标出发,基于无人机-无人车异构集群的分布式物理架构设计,定义了“观察者”、“领航者”、“跟随者”等角色。在异构集群中,个体之间基于角色产生不同的交互关系,“领航者”可以根据“观察者”获取的感知数据自主规划自身的路径和轨迹,而“跟随者”则需要根据“领航者”的行为确定自身的行动。上述交互关系可由角色之间的图结构进行描述。在典型的无人机-无人车异构集群中,无人机一般被赋予“观察者”和“领航者”的角色,无人车一般被赋予“跟随者”和“观察者”的角色,无人车编队中的“领队”无人车也可被赋予“领航者”的角色。此外,异构群体还有必要根据任务变化、环境变化或意外事件,动态调整角色分配,以提高群体的整体智能水平。

无人系统平台基本设计包括物理层、资源层、行为层、应用层四个层次。物理层包括无人机系统、无人车系统,以及地面控制站系统;资源层分为物理域资源管理、信息域资源管理、认知域资源管理三个模块;行为层主要包括跨域集群的协同感知、协同规划和协同行动,管理和执行上述三类协同行为;应用层主要包括开发工具和交互界面。


图1 无人系统研究平台框架

四、关键技术

  • 三维环境建模技术

  • 多平台航线搜索网络协作系统技术

  • 无人机系统通信技术

  • 多无人机、无人车编队协同侦察技术

  • 复杂地形机动匹配技术

  • 路径规划与导航技术

  • 感知与规避技术

  • 多无人机成组编队技术

  • 智能控制技术

  • 抗干扰技术

五、服务对象

主要服务对象为团队用户、企业用户、个人用户。其中团队用户主要为智能制造工程研究院及广州大学其他学院的科研团队;企业用户主要为在平台开展创业孵化的企业;个人用户主要为广州大学内部科研人员。

六、资源

   (1)硬件资源

表1 无人系统研究平台硬件资源列表

序号 名称 功能 数量(套) 备注
1 无人驾驶智能导航车系统 支持室外环境;具有激光雷达,网络相机,立体相机,长距离传输模块,交换机,路由器等网络模块等;具有开发控制工作台;可安装ROS等开源操作系统,并支持二次开发 5 随机配件
2 无人机系统 动力系统:电动;最大起飞重量:最大载重(小电池):1.87kg,最大载重(大电池):1.14kg ;感应系统:视觉定位系统,前视障碍物感知系统 ;工作环境温度:-20°C至45°C ;飞行时间:空载,普通容量电池:23分钟,大容量电池:32分钟 ;附带遥控器:GL6D10A ;遥控距离2.4GHz:7km(FCC),3.5km(CE),4km(SRRC);5.8GHz:7km(FCC),2km(CE),5km(SRRC);防水等级:IP43;提供开源飞控系统,支持二次开发,可实现多个无人机间的不通过第三方平台的直接通信,无人机与无人车等设备的通信与协作 5 随机配件
3 通信设备 路由器2台,交换机2台
随机配件
4 辅助加工设备 3D打印机1台,加工中心1台,钻床1台,工作台1个,夹钳1个
随机配件
5 辅助仿真测试设备 Dspace仿真器2台,万用表2台,示波器2台,烙铁风枪等
随机配件

   (2)软件资源

目前无人系统技术研究平台主要有以下软件资源:ROS操作系统、Rapyuta软件、gazebo软件、Matlab软件、Solidworks软件、inventor软件、ansys软件、unity 3d软件、Python软件等。无人系统技术研究平台的主要产品基于ROS操作系统和Rapyuta软件等开源软件,便于后续产品的升级、共享和拓展。其余专业软件主要包含软件编程、结构电气设计、结构和控制仿真软件。

   (3)人员

无人系统技术研究平台人员以无人系统关键技术开发人员为主,在环境感知、通信、路径规划、多机协同、三维建模等配备研究开发人员,另外配有结构、电子、仿真、测试等辅助人员,队伍结构完善。

   (4)场地

无人系统技术研究平台主要产地为大学城北城投楼三层实验室,主要划分有基础加工区、无人机实验区、无人车实验区,该场地与智能机器人系统共用,便于无人系统联合试验。

图2 场地装修三维效果图

七、建设方案

根据无人系统技术研究平台的整体框架,依托现有资源和人员,确认无人系统技术研究平台主要有三条主线:项目、技术、能力,以项目促进技术,以技术充实能力。以下从项目、技术、能力三个角度阐述。

   (1)项目

满足平台进驻资格的企业、团队和个人通过审批后,可在无人系统技术研究平台上开展研究项目,项目的开展主要集中在ROS系统的开发和功能模块的开发。综合利用平台的物理资源、软件资源、通信资源、高性能计算资源,开展环境感知、通信、路径规划、多机协同、三维建模研究,促进无人系统在实际场景中的应用。

   (2)技术

无人系统技术研究平台主要开展环境感知技术、多机协同技术、路径规划与导航、无人系统通信技术、仿真技术的开发、验证,如图1所示。主要集中无人系统技术研究和软件模块开发,且技术开发过程中注重通用化、系列化、模块化工作,提高技术成熟度和复用度。

   (3)能力

无人系统技术研究平台(包括智能机器人平台)具备以下能力:基础加工、过程资产、创新孵化、校企联盟、顾问团队。形成项目积淀和基础能力,同时整合外部资源做好校企联盟、创新孵化、顾问咨询。其中需着重做好组织过程资产管理,包含项目结题过程中的通用模块评审、通用技术评审,在完成以上评审后,做好项目归档,提炼通用模块和通用技术,便于后续项目的重用,压缩开发周期。

八、管理平台

无人系统技术研究平台的管理工作主要分为:设备管理、过程资产管理、软资源管理、平台管理,日常使用流程主要为:设计模拟评估、申请登记审批、过程监督管理、结题归档管理、反馈优化提升、整体环境建设。

图3 无人系统技术研究平台管理规划

平台管理。包括用户管理、工作管理、技术管理、技术服务。其中用户管理工作要做好用户准入审查及过程监管,以确保平台利用率和产出。

设备管理。平台设备主要包括无人机、无人车、通信设备、测试仪器、备件和标准件、模拟设备、计算设备。以上产品管理需要做好台账和定期状态核对和检查。

使用管理。平台设备使用的管理流程为申请—核定—批准,其中申请为平台的团队或个人用户根据技术设计需求,提出使用申请,后经平台对应责任人进行核对,最后由部门主管领导进行审批。

过程资产管理。项目执行后的组织过程资产主要包括项目日志,项目文件和管理规程。这些过程资产在项目结题后要进行总结评审,按照评审专家意见进行项目结题考评和结题归档,做好项目归档,丰富平台知识库,优化平台管理流程。

软件管理。主要包括平台周边资源拓展和整合,涉及产学研政、顾问咨询、创新孵化等。这些工作将提高平台产出,提高平台效用。

九、总结

无人系统技术研究平台依据研究院的整体规划,聚焦ROS操作系统和相关关键技术开发,着力技术前沿,以通用化、模块化、系列化推进相关技术成熟。在平台的管理上,突出主要业务,整合周边资源,统筹产学研政资源,打通技术上下游,突出无人系统、人工智能技术、机器人传统技术的融合。

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