自主多智能体协同控制系统
Autonomous Vehicles Research Studio

       Quanser的室内自主多智能体协同控制系统是一个集合无人飞行器QDrone和地面移动机器人QBot 2e为一体的多目标教学和研发平台。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。Quanser公司的自主智能体协同控制系统为广大研究人员提供了一个实现多智能体协调控制的工具,用户很方便地就可以将自己的控制器和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
 
为什么选择室内实验?
      Quanser的自主智能体协同控制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。
      该系统的实时控制软件是由Quanser公司研发的,完全兼容于MATLAB/Simulink的实时控制软件QuaRC。可方便地将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
本实验系统由如下几部分组成(如下图所示):
  • QuaRC实时控制软件和多智能体任务开发体系
  • 地面控制站(包含室内定位)
  • 无人飞行器QDrone
  • 地面移动机器人QBot 2e

QuaRc实时控制软件和多智能体开发体系:
       该系统的实时控制软件是由Quanser公司研发的,完全兼容于MATLAB/Simulink的实时控制软件QuaRC。该系统的工作原理采用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。

地面控制站(包含室内定位):
      Quanser的自主智能体协同控制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。
      地面控制站主要是进行定位和任务规划等目的。通过六个(或八个或十二个)红外照相机OptiTrack实现空间三维定位。一旦整个控制系统的控制算法设计完成,可以使控制站不仅仅起到定位作用,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。
高性能地面控制主机:
  • Intel® Core i7
  • 32GB DDR4 RAM
红外定位照相机OptiTrack技术参数:
摄像范围20 m2
分辨率1280 × 1024
摄像头水平视野42°,56°
帧速率120 FPS
单点跟踪个数80个
最多同时捕捉对象物体个数10个
标定时间不超过5分钟
定位精度毫米级
接口USB2.0

无人飞行器QDrone:
设备尺寸40 cm × 40 cm ×15cm
设备重量(带电池)1000g
最大载重300g
电源3S 11.1V LiPo(3000mAh) 电池
飞行时间一次充满电后可飞行11分钟
装载的航空数据采集卡
Intel Aero Computer Board - Intel Atom x7-Z875
Quad-core 64-bit 2.56 GH z processor
4 GB LPDDR3-1600 RAM
可扩展I/O口
8 路 PWM输出
2 路 UART 
3 路 SPI (SS pins )
1 路 I²C
4 路 ADC
3 路编码器输入
5 路 CPU GPIO
深度摄像头
Intel RealSense (R200)  
Depth sensing: 3-4 m 
Vision: 640×480 @ 60 FPS or 1080p @ 30FPS
黑白高速摄像头
Omnivision OV7251 
VGA 
640×480 @ 120 FPS

面移动机器人QBot 2e:
设备底座Yujin Robot的Kobuki移动底座
车轮数量2 个
设备直径35 cm
设备高度(带Kinect)27 cm
电池续航时间3 小时
最大线速度0.7 cm/s
最大载重app. 4.5 kg
包含的传感器
3 个数字碰撞传感器    
2 个数字落轮传感器
3 个模拟和数字悬崖传感器 
3 轴陀螺仪
2 路车轮编码器输入    
2 路车轮速度输出
2 路可编程LED输出
4 路数字电源使能输出
2 路模拟电机电流输入  
3 个数字按钮
1 个电池电压测量传感器   
1 个Z轴角度测量
2 个过流传感器 
1 个Kinect RGBD传感器
可扩展I/O口
28 个可编程数字I/O通道
2 路PWM输出通道
1 路SPI总线通道
1 个UART串行端口(接口3.3V串行设备)
1 路I²C串行总线通道
4 个USB 2.0 主机端口
1 个千兆以太网
1 个5.0 VDC
1 个3.3 VDC
1 个MIPI CSI 摄像头端口
1 个用于触摸屏的MIPI DSI显示端口
车载计算机Raspberry Pi with integrated WiFi
内存
1 GB DDR SDRAM 32MB Flash
QUARC最大采样速率1000Hz
摄像头分辨率640 × 480
深度传感器范围0.5 m - 6 m

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等。