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      無人系統平臺

      時間:[2017-12-28]  來源:

      一、背景

      新世紀以來,人工智能、大數據、高性能計算和互聯網等新一代信息技術的迅猛發展掀起了傳統行業數字化、網絡化和智能化的顛覆性變革,造就新模式、新業態,催生新產業革命,從而改變人類社會、改變世界。無人系統正以其獨特的方式撼動著交通物流、制造、能源等實體經濟行業。它是發展中國家產業升級和發達國家“再工業化”所依托的核心技術,將為我國催生新興產業,推動創新型國家建設,實現經濟轉型和動能轉換,建立綠色和諧生態環境等提供寶貴的戰略契機。

      二、目標

      本平臺采用無人車和無人機組成跨域集群無人系統,以“站得高看得遠”克服無人車感知能力弱這一技術瓶頸,以“協同感知、協同規劃、協同行動”來提升整體無人系統達成任務的能力。內容涉及跨域集群無人系統的三大科學問題和七項關鍵技術,不僅有益于研發實用型“無人機引導無人車”系統,對深入理解跨域集群無人系統的協同機制,資源配置和群體性能優化,最終構建群體無人系統設計原理,解決智能交通、智能制造、智慧城市所面臨的科學問題和關鍵技術都具有重要意義。

      三、總體框架

      跨域集群平臺由空中的一架或多架微型無人機和地面上的一輛或多輛無人車組成。其中,微型無人機具有飛行速度快、運動自由度高、視野廣闊等優點,能夠用于增強無人車的感知能力,但其載荷能力相對較小、能源儲備受限,因此可搭載輕型可見光視覺傳感器、低功耗計算平臺、輕型無線通信設備等任務載荷;而無人車則具有載荷能力大、能源儲備能力強的優點,因此可搭載三維激光雷達、立體視覺傳感器、處理能力較高的車載計算平臺、高性能無線通信設備等任務載荷??缬蚣褐袀€體之間通過無線通信實現信息交換,形成了一個可擴展的分布式物理架構。

      從提升無人車感知能力和行進速度的目標出發,基于無人機-無人車異構集群的分布式物理架構設計,定義了“觀察者”、“領航者”、“跟隨者”等角色。在異構集群中,個體之間基于角色產生不同的交互關系,“領航者”可以根據“觀察者”獲取的感知數據自主規劃自身的路徑和軌跡,而“跟隨者”則需要根據“領航者”的行為確定自身的行動。上述交互關系可由角色之間的圖結構進行描述。在典型的無人機-無人車異構集群中,無人機一般被賦予“觀察者”和“領航者”的角色,無人車一般被賦予“跟隨者”和“觀察者”的角色,無人車編隊中的“領隊”無人車也可被賦予“領航者”的角色。此外,異構群體還有必要根據任務變化、環境變化或意外事件,動態調整角色分配,以提高群體的整體智能水平。

      無人系統平臺基本設計包括物理層、資源層、行為層、應用層四個層次。物理層包括無人機系統、無人車系統,以及地面控制站系統;資源層分為物理域資源管理、信息域資源管理、認知域資源管理三個模塊;行為層主要包括跨域集群的協同感知、協同規劃和協同行動,管理和執行上述三類協同行為;應用層主要包括開發工具和交互界面。


      圖1 無人系統研究平臺框架

      四、關鍵技術

      • 三維環境建模技術

      • 多平臺航線搜索網絡協作系統技術

      • 無人機系統通信技術

      • 多無人機、無人車編隊協同偵察技術

      • 復雜地形機動匹配技術

      • 路徑規劃與導航技術

      • 感知與規避技術

      • 多無人機成組編隊技術

      • 智能控制技術

      • 抗干擾技術

      五、服務對象

      主要服務對象為團隊用戶、企業用戶、個人用戶。其中團隊用戶主要為智能制造工程研究院及廣州大學其他學院的科研團隊;企業用戶主要為在平臺開展創業孵化的企業;個人用戶主要為廣州大學內部科研人員。

      六、資源

         (1)硬件資源

      表1 無人系統研究平臺硬件資源列表

      序號 名稱 功能 數量(套) 備注
      1 無人駕駛智能導航車系統 支持室外環境;具有激光雷達,網絡相機,立體相機,長距離傳輸模塊,交換機,路由器等網絡模塊等;具有開發控制工作臺;可安裝ROS等開源操作系統,并支持二次開發 5 隨機配件
      2 無人機系統 動力系統:電動;最大起飛重量:最大載重(小電池):1.87kg,最大載重(大電池):1.14kg ;感應系統:視覺定位系統,前視障礙物感知系統 ;工作環境溫度:-20°C至45°C ;飛行時間:空載,普通容量電池:23分鐘,大容量電池:32分鐘 ;附帶遙控器:GL6D10A ;遙控距離2.4GHz:7km(FCC),3.5km(CE),4km(SRRC);5.8GHz:7km(FCC),2km(CE),5km(SRRC);防水等級:IP43;提供開源飛控系統,支持二次開發,可實現多個無人機間的不通過第三方平臺的直接通信,無人機與無人車等設備的通信與協作 5 隨機配件
      3 通信設備 路由器2臺,交換機2臺
      隨機配件
      4 輔助加工設備 3D打印機1臺,加工中心1臺,鉆床1臺,工作臺1個,夾鉗1個
      隨機配件
      5 輔助仿真測試設備 Dspace仿真器2臺,萬用表2臺,示波器2臺,烙鐵風槍等
      隨機配件

         (2)軟件資源

      目前無人系統技術研究平臺主要有以下軟件資源:ROS操作系統、Rapyuta軟件、gazebo軟件、Matlab軟件、Solidworks軟件、inventor軟件、ansys軟件、unity 3d軟件、Python軟件等。無人系統技術研究平臺的主要產品基于ROS操作系統和Rapyuta軟件等開源軟件,便于后續產品的升級、共享和拓展。其余專業軟件主要包含軟件編程、結構電氣設計、結構和控制仿真軟件。

         (3)人員

      無人系統技術研究平臺人員以無人系統關鍵技術開發人員為主,在環境感知、通信、路徑規劃、多機協同、三維建模等配備研究開發人員,另外配有結構、電子、仿真、測試等輔助人員,隊伍結構完善。

         (4)場地

      無人系統技術研究平臺主要產地為大學城北城投樓三層實驗室,主要劃分有基礎加工區、無人機實驗區、無人車實驗區,該場地與智能機器人系統共用,便于無人系統聯合試驗。

      圖2 場地裝修三維效果圖

      七、建設方案

      根據無人系統技術研究平臺的整體框架,依托現有資源和人員,確認無人系統技術研究平臺主要有三條主線:項目、技術、能力,以項目促進技術,以技術充實能力。以下從項目、技術、能力三個角度闡述。

         (1)項目

      滿足平臺進駐資格的企業、團隊和個人通過審批后,可在無人系統技術研究平臺上開展研究項目,項目的開展主要集中在ROS系統的開發和功能模塊的開發。綜合利用平臺的物理資源、軟件資源、通信資源、高性能計算資源,開展環境感知、通信、路徑規劃、多機協同、三維建模研究,促進無人系統在實際場景中的應用。

         (2)技術

      無人系統技術研究平臺主要開展環境感知技術、多機協同技術、路徑規劃與導航、無人系統通信技術、仿真技術的開發、驗證,如圖1所示。主要集中無人系統技術研究和軟件模塊開發,且技術開發過程中注重通用化、系列化、模塊化工作,提高技術成熟度和復用度。

         (3)能力

      無人系統技術研究平臺(包括智能機器人平臺)具備以下能力:基礎加工、過程資產、創新孵化、校企聯盟、顧問團隊。形成項目積淀和基礎能力,同時整合外部資源做好校企聯盟、創新孵化、顧問咨詢。其中需著重做好組織過程資產管理,包含項目結題過程中的通用模塊評審、通用技術評審,在完成以上評審后,做好項目歸檔,提煉通用模塊和通用技術,便于后續項目的重用,壓縮開發周期。

      八、管理平臺

      無人系統技術研究平臺的管理工作主要分為:設備管理、過程資產管理、軟資源管理、平臺管理,日常使用流程主要為:設計模擬評估、申請登記審批、過程監督管理、結題歸檔管理、反饋優化提升、整體環境建設。

      圖3 無人系統技術研究平臺管理規劃

      平臺管理。包括用戶管理、工作管理、技術管理、技術服務。其中用戶管理工作要做好用戶準入審查及過程監管,以確保平臺利用率和產出。

      設備管理。平臺設備主要包括無人機、無人車、通信設備、測試儀器、備件和標準件、模擬設備、計算設備。以上產品管理需要做好臺賬和定期狀態核對和檢查。

      使用管理。平臺設備使用的管理流程為申請—核定—批準,其中申請為平臺的團隊或個人用戶根據技術設計需求,提出使用申請,后經平臺對應責任人進行核對,最后由部門主管領導進行審批。

      過程資產管理。項目執行后的組織過程資產主要包括項目日志,項目文件和管理規程。這些過程資產在項目結題后要進行總結評審,按照評審專家意見進行項目結題考評和結題歸檔,做好項目歸檔,豐富平臺知識庫,優化平臺管理流程。

      軟件管理。主要包括平臺周邊資源拓展和整合,涉及產學研政、顧問咨詢、創新孵化等。這些工作將提高平臺產出,提高平臺效用。

      九、總結

      無人系統技術研究平臺依據研究院的整體規劃,聚焦ROS操作系統和相關關鍵技術開發,著力技術前沿,以通用化、模塊化、系列化推進相關技術成熟。在平臺的管理上,突出主要業務,整合周邊資源,統籌產學研政資源,打通技術上下游,突出無人系統、人工智能技術、機器人傳統技術的融合。

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