自主多智能体协同控制系统
20240423_191549085_iOS-copy-1274x591
无人飞行器＆地面移动机器人
2_副本
自主多智能体协同控制系统
Autonomous Vehicles Research Studio
       
      鲲航（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 2和地面移动机器人QBot Platform 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。鲲航的自主多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？
      鲲航（Quanser）的自主多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，我们对于无人飞行器（QDrone 2）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鲲航（Quanser）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，还预留了硬件接口，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 2

  • 地面移动机器人QBot Platform

 

 
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鲲航（Quanser）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）：
      鲲航（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 2:
设备尺寸50 cm × 50 cm ×15cm
设备重量（带电池）1500g
最大载重300g
电源4S 14.8V LiPo(3700mAh) 电池 , 带 XT60 连接器
飞行时间一次充满电后可飞行7~8分钟
装载的航空数据采集卡
NVIDIA Jetson Xavier NX SOM (powered by a 6-Core NVIDIA Carmel ARM 
v8.2 64-Bit processor) 
384-core NVIDIA Volta GPU with 48 Tensor Cores 
8 GB 128-bit LPDDR4x RAM
可扩展I/O口
PWM (2x) 
UART (2x) 
SPI (2x SS pins) 
I2 (2x) 
ADC (1x) 
Encoder Input 2x 
CPU GPI0 6x
深度摄像头
Intel® RealSense™ (D435) 
Depth sensing (3 metre range) 
RGB (1920x1080 @ 30FPS)
黑白高速摄像头
Omnivision OV9281
Grayscale (1280x800 @ 120 FPS or 640x480 @ 180 FPS)
  广角摄像头  Sony IMX219
  机载传感器  2x 6-DOF IMU (gyroscope and       accelerometer), 1x ToF height sensor

 
地面移动机器人QBot Platform ：
平台
 		2 轮差速驱动底座，带 4 个支撑脚轮
 
直径
 		570 mm
 
高度
 		227 mm
 
传动系统感应
 		每个车轮均配有电流感应、光学编码器和数字转速计
 
最大运动速度
 		1.5 m/s 速度和 1 m/s/s 加速度
 
标称运动速度
 		0.7 m/s 速度和 0.5 m/s/s 加速度
 
最大有效负载
 		20 kg
 
工作时间
 		每块电池2小时
 
电源
 		2 块 84Wh LFP 电池，带外部充电功能
 
车载电脑
 		NVIDIA Jetson Orin Nano
 
向下摄像头
 		灰度带全局快门 – 640x400 @ 120Hz
 
前置摄像头
 		Intel  RealSense D435 RGB-D 摄像头
 
雷达
 		2D 360° 激光雷达，每秒 16,800 点
 
IMU
 		带加速计和陀螺仪的 6 轴 IMU
 
通用输入输出接口GPIO
 		40 针接头，包括 SPI / I2C / UART / PWM
 
LEDs
 		用户可编程 LED
 
LCD
 		字符显示模块
 
语言
 		MATLAB / Simulink / Python / ROS 2
 
USB 接口
 		4x USB 3.0 用户端口
 
HDMI
 		1 full HDMI 接口
 
连接
 		IEEE 802.11ac Wi-Fi 和千兆位以太网端口
 

 
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。

 
 
 
近期部分TOP文章
2025年

期刊名称
论文名称
作者
Expert Systems with Applications
Mitigating tractor vibrations with a robust adaptive fractional Controller: Design and Validation
Nazila Nikdel,
Abolfazl Kouhi
IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
Coupling-Enhanced Smooth Adaptive Control for Underactuated UAV-Slung-Payload Systems
Junjie Kang,
Jinjun Shan
IEEE Transactions on Automatic Control
Virtual Nonholonomic Constraints-Based Motion Control for Underactuated UAV Slung-Payload Systems
Junjie Kang,
Jinjun Shan
Aerospace Science and Technology
Robust trajectory tracking control of a quadrotor under external disturbances and dynamic parameter uncertainties using a hybrid P-PID controller tuned with ant colony optimization
Sofiane Ben Abdi,Abderrazak Debilou,Lemya Guettal,Aicha Guergazi


2024年

期刊名称
论文名称
作者
IEEE Transactions on Industrial Electronics
Fuzzy Dynamic Output Feedback for Networked Control Active Suspension Systems: An IQC-Based Heuristic Multirate Sampling Iterative Controller Algorithm
Guoliang Chen,
Mengkai Zhu,
Jianwei Xia,
Ju H.Park
IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics Systems
Adaptive Observer-Based Implicit Inverse Control for Quadrotor Unmanned Aircraft Robots and Experimental Validation on the QDrone Platform
Xiuyu Zhang,
Pukun Lu,
Chenliang Wang,
Guoqiang Zhu,
Xin Zhang,
Xinkai Chen,
Chun Yi Su
IEEE Transactions on Fuzzy Systems
Adaptive Fuzzy Consistent Pseudoinverse Control for a Class of Constrained Nonlinear Multiagent Systems and Its Application
Guoqiang Zhu,
Xuecheng Zhang,
Xiuyu Zhang,
Chenguang Yang,
Xinkai Chen,
Chun-Yi Su
IEEE Transactions on Industrial Cyber-Physical Systems
A Case Study for Enhancing Maintenance of Cyber-Physical Systems With Digital Twin
Jie Liu; J
ørn Vatn; 
Shen Yin
Knowledge-Based Systems
Observer-based robust integral reinforcement learning for attitude regulation of quadrotors
Zitao Chen，WeifengZhong，Shengli Xie，、Yun Zhang，Chau Yuen

2023年

期刊名称
论文名称
作者
IEEE Transactions on Industrial Electronics
Path Following of a Quadrotor With a Cable-Suspended Payload

AdeelAkhtar;
SajidSaleem;
Jinjun Shan
Perturbed Univycle Mobile robots：A Second-Order Sliding-Mode Trajectory Tracking Control
H.Rios,
M.Mera,
A.Polyakov
International Journal of Robust and Nonlinear Control
An adaptive sliding mode fault-tolerant control of a quadrotor unmanned aerial vehicle with actuator faults and model uncertainties
B. Wang, 
Y. Shen,
 N. Li, 
Y. Zhang, 
Z. Gao

Fractal and Fractional
Attitude Control of the Quadrotor UAV with mismatched Dissturbances Based on the Fractional-order Sliding Mode and Backstepping Control Subiect to Actuator
H.Sun,
J.Li,
R.Wang,
K.Yang

2022年

期刊名称
论文名称
作者
Automatica
A convex optimization approach to synthesizing state feedback data-driven controllers for switched linear systems - ScienceDirect
Tianyu Dai
IEEE Transactions on Cybernetics
A Bio-Inspired Safety Control System for UAVs in Confined Environment With Disturbance
Y.M.Zhang、
X. Yu
IEEE Transactions on Industrial Electronics
Path Following of a Quadrotor with a Cable-Suspended Payload
A. Akhtar,
 S. Saleem, 
J. Shan
Safety Control for Quadrotor UAV Against Ground Effect and Blade Damage
KexinGuo，WenyuZhang，Yukai Zhu，Jindou Jia，
Xiang Yu
IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
A Robust Fault Diagnosis for Quad-Rotors: A Sliding-Mode Observer Approach
R. Falcon, 
H. Rios, 
A. Dzul
ISA Transactions
Nonsingular recursive-structure sliding mode control for high-order
nonlinear systems and an application in a wheeled mobile robot
HaichaoZhang，
Bo Li，
Bing Xiao，YongshengYang，Jun Ling
Aerospace Science and Technology
Adaptive fuzzy control of a quadrotor using disturbance observer
C. Li,
 Y. Wang,
 X. Yang
Integrated path planning and trajectory tracking control for quadrotor UAVs with obstacle avoidance in the presence of environmental and systematic uncertainties: Theory and experiment
B. Wang, Y.M.Zhang, 
W. Zhang
Tracking flight control of UAV based on multiple regions pole assignment method
S. Xiong, 
M. Chen, 
Z. Wei

2021年

期刊名称
论文名称
作者
IEEE Transactions on Cybernetics
Safety Flight Control Design of a Quadrotor UAV With Capability Analysis
X. Zhou, 
X. Yu, K. Guo, 
S. Zhou, 
L. Guo, 
Y. Zhang, 
X. Peng
Safety Flight Control Design of a Quadrotor UAV With Capability Analysis
YouminZhang、
X. Yu

IEEE Transactions on Industrial Electronics
Multi-Regularized Correlation Filter for UAV Tracking and Self-Localization
J.Ye; C. Fu; 
F. Lin; F. Ding; S. An; G. Lu
IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems
Fixed-time Observer Based Safety Control for a Quadrotor UAV
S Zhou，
K Guo，
X Yu，
L Guo，
L Xie
IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
Discrete-Time Adaptive Neural Tracking Control and Its Experiments for Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle Systems
X. Zhang,
 Y. Wang, 
G. Zhu, X. Chen, C. Y. Su

2020年

期刊名称
论文名称
作者
Aerospace Science and Technology
A dual adaptive fault-tolerant control for a quadrotor helicopter against actuator faults and model uncertainties without overestimation
Wang, B.; Yu, X.; 
Mu, L.; 
Zhang, Y.
Active fault-tolerant control for a quadrotor helicopter against actuator faults and model uncertainties
Wang, B.; Shen, Y.; Zhang, Y.
IEEE Transactions on Industrial Electronics
Attractive Ellipsoid-Based Robust Control for Quadrotor Tracking | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore
Romeo Falcón
IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
Analytical Design and Experimental Verification of Geofencing Control for Aerial Applications
Ghaffari, A.
IEEE Transactions on Cybernetics
Compound Adaptive Fuzzy Quantized Control for Quadrotor and Its Experimental Verification
Zhang, Y.