1、Crazyflie無人機(jī)協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)概述

無人機(jī)編隊(duì)與協(xié)同控制是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。對(duì)此，本平臺(tái)提供了一套基于室內(nèi)定位系統(tǒng)的完整四旋翼編隊(duì)實(shí)驗(yàn)解決方案。本平臺(tái)采用光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉技術(shù)（定位精度可達(dá)毫米級(jí)別)，并通過無線電網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(duì)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(duì)算法的驗(yàn)證。

本平臺(tái)主要提供以下三個(gè)方面的研究：

?編隊(duì)隊(duì)形的設(shè)計(jì)：多個(gè)無人機(jī)在指令下運(yùn)行至的位置，并最終實(shí)現(xiàn)既定的編隊(duì)形態(tài)，除了需要考慮無人機(jī)氣動(dòng)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(shí)保證無人機(jī)之間不會(huì)發(fā)生碰撞。

?編隊(duì)隊(duì)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(gè)隊(duì)形不變。

?編隊(duì)隊(duì)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(duì)編隊(duì)做出適當(dāng)且合理的改變。

2、Crazyflie無人機(jī)協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(dòng)捕捉技術(shù)，標(biāo)配定位范圍6m×6m，支持毫米級(jí)定位，能夠同時(shí)捕捉20+架左右的無人機(jī)；

?被控對(duì)象：本平臺(tái)系統(tǒng)支持20+架Crazyflie進(jìn)行編隊(duì)實(shí)驗(yàn)（被控對(duì)象數(shù)目可根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)、改進(jìn)和添加新功能。

?基礎(chǔ)開發(fā)平臺(tái)：平臺(tái)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(jì)，通過無線電或藍(lán)牙下載到無人機(jī)控制芯片；

?運(yùn)動(dòng)展示：Crazyflie配有閃爍LED燈，在展示飛行狀態(tài)的同時(shí)可提升編隊(duì)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(dòng)規(guī)劃、編隊(duì)控制等。

3、系統(tǒng)架構(gòu)

    圖1硬件構(gòu)成圖

上圖為平臺(tái)系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖，主要包括如下：

?實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)通過多個(gè)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(shí)時(shí)控制系統(tǒng)開發(fā)主機(jī)主要完成算法開發(fā)和Linux實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)功能：算法開發(fā)主要基于Python實(shí)現(xiàn)，結(jié)合我司提供的實(shí)時(shí)控制軟件，可實(shí)現(xiàn)代碼編寫、編譯和部署；開發(fā)主機(jī)可作為Linux實(shí)時(shí)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(dòng)平臺(tái)包括若干無人機(jī)（標(biāo)配為25個(gè)無人機(jī)），每個(gè)無人機(jī)上安裝有高性能計(jì)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(jì)。

3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

?數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)（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(shí)物飛行實(shí)驗(yàn)（四旋翼單機(jī)、多機(jī)控制實(shí)驗(yàn)、任務(wù)規(guī)劃、協(xié)同控制等）；

?定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)（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(shí)驗(yàn)（多車、多機(jī)協(xié)同編隊(duì)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)）；

?Crazyflie編隊(duì)擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)（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(duì)隊(duì)形的設(shè)計(jì)：多個(gè)無人機(jī)在指令下運(yùn)行至位置，并最終實(shí)現(xiàn)既定的編隊(duì)形態(tài)，除了需要考慮無人機(jī)氣動(dòng)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(shí)保證無人機(jī)之間不會(huì)發(fā)生碰撞。

?編隊(duì)隊(duì)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(gè)隊(duì)形不變。

?編隊(duì)隊(duì)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(duì)編隊(duì)做出適當(dāng)且合理的改變。