无人工具系统
Autonomous Vehicles Research Studio

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无人工具实验系统
    Quanser的无人工具实验系统是一个集合无人飞行器和地面无人机器人为一体的多目标教学和研发平台。历经十年研发与销售,目前已更新至第三代。目前中国市场第二代和第三代同时有售。
    目前许多研究人员由于受到采用不同硬件和软件的无人工具制约无法进行不同无人工具之间的协调控制等方面的研究,同时,传感器、人工智能技术如何融入到群控系统中,也是业界研究重点。Quanser公司的无人工具(UVS)实验系统为广大研究人员提供了一个实现多智能体协调控制,多传感器融合的工具,用户很方便地就可以将自己的控制器和智能算法通过这个平台工具进行实现及验证。比较适合的教学和应用研究范围包括:
  • 无人工具的动态建模和控制研究
  • 运动规划
  • 避障控制
  • 机器视觉
  • 机器学习
  • 多信息融合
  • 编队控制
  • 地空协同控制
  • 无人工具自主控制等
  • 视觉SLAM
  • 传感器网络
  • 群控策略
 
室内无人实验
Quanser的UVS实验系统使用户可以在一个室内空间进行控制研究与教学。室内实验具有方便介入实验,环境安全可控,实验条件要求相对简单等优点。此外,即使是室内实验,Quanser公司对于无人飞行器(QDrone)采用特殊的防冲击破坏设计,避免实验人员在误操作等情况下对飞行器造成损坏。
整个系统的控制软件都是基于Quanser公司研发的,完全基于MATLAB/SIMULINK的实时控制软件QuaRC。很方便地将Simulink仿真框图编译并下载到各装置的处理器,然后进行实时控制,不需要其它语言编程要求。对于每个无人工具的信号采集均通过兼容实时控制软件QuaRC的Intel Aero Computer Board采集卡,方便进行传感器数据采集并对驱动电机发出控制信号,同时,无人机上的IMU, GPU,各种视觉数据全部对用户开放,为方便研究人员添加更多的传感器,Quanser公司还预留的硬件接口,方便用户使用。本系统的定位通过6个OptiTrack照相机来完成,有关OptiTrack的标定、驱动等,都已经在QuaRC软件中以Simulink模块的形式实现。所有这些组成的强健的、开放式的环境使用户在短时间内就可以进行各种算法研究。

实验系统简介
本实验系统大致有如下几部分组成(如下图所示):
  1. QuaRC实时控制软件和多智能体任务开发体系
  2. 地面控制站
  3. 无人飞行器
  4. 无人地面机器人
  5. 照相机定位系统

系统各部分简介
1.QuaRC实时控制软件和多智能体任务开发体系
  1. 作为Mathwork公司的合作伙伴,Quanser公司的QuaRC实时控制软件完全与Matlab/Simulink兼容,可以方便地调用Matlab/Simulink中的函数。
  2. 不需要额外的处理器,在操作系统为Windows10/8/7的PC机上直接运行。
  3. 控制系统的闭环采样频率为1kHz。
  4. 将系统中的数据采集硬件端口做成相应的Simulink模块,通过Simulink直接对硬件端口进行读、写操作。
  5. 将设计的控制器与相应的系统硬件端口Simulnik模块相连,编译并下传到QuaRC中,就可以进行实时控制,使得控制实际对象的过程如仿真一样简单。
  6. 实时控制过程中同时也可以在QuaRC中进行系统仿真以方便比较。
  7. 在Simulink文件内实时改变控制器参数.无需停下程序。
  8. 各个变量可通过Simulink示波器实时观测,观测实测波形,得到的波形可以以Matlab的m或MAT文件形式存储下来。
  9. 在WindowsXP/vista/win7下支持多处理器以提高采样频率。
  10. 支持多线程和多模型
  11. 支持TCP/IP,UDP,共享内存等多种协议

    对于本系统,QuaRC支持 Intel Aero Computer Board 板卡的工具及模块。工作原理采用Host-Target模式,控制器开发在装有Matlab/Simulink的Host主机实现,控制器搭建完成后直接在Simulink下进行编译并通过无线通讯协议下载到无人工具的嵌入式控制器(target机)就可以进行实时控制了。此外,一台Host主机可以同时控制多台不同的嵌入式Target机器,从而很方便地就可以在Matlab环境下进行多智能体系统控制研究。
 
2.地面控制站
Quanser的无人工具实验系统可以通过一台地面控制计算机来实现,包括定位,多智能体控制等,而且整个控制都是在Matlab/Simulink环境下来进行设计和实时控制实现。主控制机通过无线局域网与各个无人工具进行通讯。
本控制站主要是进行定位和任务规划等目的。一旦整个控制系统的控制算法设计完成,可以使控制站仅仅起到定位作用,从而进行无人工具的自主控制及多个工具之间的协调控制研究。
 
3.HiQ和Gumstix
数据采集和嵌入式控制部件。
 
HiQ参数
  • QuaRC软件兼容;
  • 6 PWM输出;
  • 3轴陀螺,范围:±75°/s, ±150°/s, ±300°/s;
  • 3轴加速度计,精度2.522 mg/LSB
  • 10个模拟输入,12‐bit,+3.3V(2个预留)
  • 4 Maxbotix声纳,1 inch精度
  • 串口GPS输入
  • 2个压力传感器测量绝对压力和相对压力
  • 输入功率10-20W
  • 嵌入式控制器:ARM Cortex-A9, 1 GHz;1 GB low-power DDR RAM;Wireless specifications 802.11 b/g/n;QUARC max sample rate  1KHz;32MB NAND Flash;Dimensions:80mm x 20mm x 5.3mm

 
4.无人飞行器QDrone(第三代)
本无人飞行器是一个四旋翼系统。配备了Intel Aero Computer Board数据采集卡和嵌入式控制器。
 
系统参数:
  • 带航空数据采集卡Intel Aero Computer Board
  • Intel Atom x7-Z8750
  • Quad-core 64-bit 2.56 GH z processor
  • GB LPDDR3-1600 RAM
  • QuaRC软件兼容
  • 8  PWM输出
  • 2 路 UART 
  • 3 路 SPI (SS pins )
  • 1 路 I²C
  • 4 路 ADC
  • 尺寸0.4m×0.4m×0.15
  • 1个LiPo电池, 3300mAh,3‐cell
  • 一次充满电后11分钟飞行时间
  • 4 (2100Kv) 个无刷直流电机,安装6英寸螺旋桨
  • 无线WIFI通讯
  • 飞行器重量(含电池):1000g
  • 最大负载:300g
  • 深度摄像头:Intel RealSense (R200) Depth sensing: 3-4 m Vision: 640×480 @ 60 FPS or 1080p @ 30FPS
  • 云台彩色摄像头:Omnivision OV8858 8MP RGB   3264 x 2448 @30 FPS or 1080p @ 60 FPS
  • 黑白高速摄像头:Omnivision OV7251 VGA 640×480 @ 120 FPS

 
5.红外定位照相机OptiTrack
系统通过六(或八或十二)个红外照相机实现空间三维定位。
技术参数
  • 摄像范围:12 m2
  • 分辨率:1280×1024
  • 摄像头水平视野:42°,56°
  • 帧速率:120 FPS
  • 单点跟踪80个点
  • 最多同时捕捉10个对象物体
  • 标定时间不超过5分钟
  • 定位精度毫米级
  • USB2.0接口
  • QuaRC软件支持

 
6.地面移动机器人QBot 2e:
技术参数
  • 2个PWM输出通道
  • 28个可编程数字I/O通道
  • 2个模拟输入
  • 2个编码器输入
  • 1个UART串行端口
  • 1个SPI总线通道
  • 1个 I²C串行总线通道
  • 1个电池电压测量传感器
  • USB接口的摄像头
  • 无线通讯
  • 2车轮编码器输入
  • 2轮转速输出
  • 4数字电源使能输出
  • 3模拟和数字悬崖传感器
  • 2模拟电机电流输入
  • 3数字碰撞传感器
  • 2个电流传感器

 
 
系统基本配置:
  • 1 个地面工作站PC,已安装QuaRC和无线网卡
  • QBot2e 地面移动机器人(数量可自选)
  • QDrone 无人飞行器 (第三代无人机,数量可自选)
  • 6个红外摄像头组成的OptiTrack Tracking Tools定位系统(或8个或12个,可自选)
  • 14通道手动控制游戏杆

 
客户定制
用户可以根据自己的研究及教学任务自行增加地面移动机器人或无人飞行器的数目等。