567 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計（總體設(shè)計）

567 大學(xué)生方程式賽車設(shè)計（總體設(shè)計）,567,大學(xué)生方程式賽車設(shè)計（總體設(shè)計）,大學(xué)生,方程式賽車,設(shè)計,總體,整體 麻省理工學(xué)院的室內(nèi)多輛飛行測試平臺 Mario Valenti, Brett Bethke, Daniel Dale, Adrian Frank, James McGrew, Spencer Ahrens, Jonathan P. How, and John Vian [摘要]：本文和視頻呈現(xiàn)的是為了研究在長時間受控環(huán)境中的無人機的室內(nèi)飛行試驗平臺的組成和飛行測試。該試驗臺使用真正的硬件檢查一個或多個車輛的健康管理研究問題，如車輛故障，加油，維修。這個試驗臺可以針對空中和地面的在一個大的室內(nèi)飛行測試區(qū)域自主運行的車輛，可以用來執(zhí)行許多不同的任務(wù)場景。這個實驗平臺的成功很大程度上是與我們實驗車輛，傳感器的選擇，系統(tǒng)的指揮和控制結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。視頻顯示了過去一年從單一到多車的飛行測試結(jié)果。 背景 無人駕駛汽車已經(jīng)被許多組織通過來自從數(shù)英里外的復(fù)雜的操作員站的操作，對其感興趣的對象進(jìn)行定位，觀察和評估。雖然許多研究人員一直在討論多智能體自主操作[1],[2]，認(rèn)為對自治任務(wù)組如何進(jìn)行健康管理需要做更多的工作。在過去，術(shù)語“健康管理”是在組件故障的事件用于定義主動監(jiān)測和管理車輛的子系統(tǒng)(如飛行控制、燃料管理、航空電子設(shè)備)的系統(tǒng)。在上文的多個車輛操作中，這個定義可以擴展到多智能體組織自治：團(tuán)隊參與一項任務(wù)作為一個“車輛系統(tǒng) “，每個車輛是一個多智能體團(tuán)隊的每一個子系統(tǒng)等等。如在[3]所述，許多研究團(tuán)隊使用戶外測試平臺來驗證關(guān)于理論創(chuàng)新無人機的概念[4] [5][6][7]。此外，還建立了一定數(shù)量的室內(nèi)臺研究多智能體活動[8],[9]。這些實驗臺有大量的局限性，這使得無人機團(tuán)隊為調(diào)查健康管理而執(zhí)行大規(guī)模，長時間任務(wù)的效率有限。例如，戶外平臺只能在適當(dāng)?shù)奶鞖夂铜h(huán)境條件中測試。此外，這些室外無人機通常也需要一個大的支持團(tuán)隊，使長期測試的后勤困難且成本昂貴。此外，許多室內(nèi)臺都是在一個2D或3D有限的飛行卷中操作。 相比之下，麻省理工學(xué)院室內(nèi)試驗臺是專門設(shè)計來研究在一定受控環(huán)境中長期的任務(wù)。本試驗臺用于實現(xiàn)和分析嵌入艦隊和車輛健康狀態(tài)到任務(wù)和無人機的規(guī)劃的技術(shù)性能。特別是，我們正在使用真正的硬件研究有關(guān)車輛和多主體健康管理問題，如車輛故障、加油和維護(hù)。這個試驗臺由空中和地面車輛組成，允許研究人員進(jìn)行測試各種各樣的任務(wù)場景。我們已經(jīng)證明了一定數(shù)量的協(xié)調(diào)測試飛行(使用自主地面和空中車輛)。目前，我們正在實現(xiàn)多于四個飛行器在典型尺寸的房間的飛行，并且它在一天的任何時候或任何長度的時間的飛行測試，只需要一個操作員設(shè)置測試平臺。試驗臺的核心是一個全球性的計算系統(tǒng)，得出整個房間的所有車輛的準(zhǔn)確，高帶寬的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。我們試驗臺配置不需要修改就可以添加子硬件實現(xiàn)無線遙控。因此，這個平臺是理想的快速原型的任務(wù)管理算法，因為它可以僅需要一個人便可長時間操作，這在相比支持外部飛行的成本只占了小部分。 試驗臺的結(jié)構(gòu)和組件 如圖1所示，試驗臺結(jié)構(gòu)有四個主要組成：一個任務(wù)規(guī)劃層，用來設(shè)置系統(tǒng)目標(biāo)和監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)程，一個任務(wù)分配層，這(一般來說)分配具體任務(wù)的車輛或車輛去組支持總體任務(wù)目標(biāo)，一個軌跡設(shè)計層，引導(dǎo)每個車輛及其子系統(tǒng)在如何最好地執(zhí)行實際的任務(wù)提供的任務(wù)處理層，一個控制處理層，被設(shè)計用來開展上層系統(tǒng)設(shè)定的活動。注意，在決策過程中，系統(tǒng)每個組件的健康信息都提供給在架構(gòu)的每個組件使用。這個健康監(jiān)測組件是設(shè)計來評估每個組件的性能，并提供反饋其他系統(tǒng)(和運營商)關(guān)于其進(jìn)步和任務(wù)有效性。這種信息是用剩下的系統(tǒng)潛在的調(diào)整或重定向其使命和/或任務(wù)目標(biāo)作為任務(wù)正在發(fā)生。 圖1：測試平臺結(jié)構(gòu)框圖 這些健康管理算法在一個現(xiàn)實的，實時的環(huán)境中的實時能力來測試和演示中，我們開發(fā)了一種低成本的，室內(nèi)的測試環(huán)境，可以在更長的時間周期，在受控環(huán)境中使用。在平臺所用的車輛市售-現(xiàn)貨（COTS）的R / C車的設(shè)計是耐用和安全 - 使它們適合室內(nèi)飛行測試平臺。此外，沒有結(jié)構(gòu)性或電子的修改在空氣中在這些飛行試驗使用的車輛，這有助于最大限度地飛行時間，并降低電機/刀片組件應(yīng)力。此系統(tǒng)上完成所有的計算基于地面的計算機，其中有兩顆AMD 64位Opteron處理器， 2 GB內(nèi)存，并運行Gentoo Linux的。這臺電腦，并從車輛的控制計算機的RS-232連接到汽車的R / C發(fā)射機超過變送器的教練接口發(fā)送過來的控制和處理命令處理。 一個維科 MX相機系統(tǒng)[10]是用來檢測車輛的實時位置和方向。輕量的反射球通過附加到車輛的結(jié)構(gòu)，維科MX相機系統(tǒng)可以跟蹤和計算各車輛的位置和方向信息120赫茲與10毫秒的延遲。然后，這些數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)矫枯v車的地面控制計算機。 此外，該試驗臺的設(shè)計與自動化系統(tǒng)的任務(wù)管理器。由于系統(tǒng)中的每個飛行器起飛，自主降落，自主任務(wù)管理器管理所有空中和地面車輛控制系統(tǒng)中使用這些任務(wù)命令（如圖2所示）。因此，可多輛的任務(wù)的情況（例如，搜索，持久監(jiān)視）組織和實施自主的任務(wù)管理器。最后，該系統(tǒng)被設(shè)計為允許操作者發(fā)出命令，通過操作員界面，其中包括測試區(qū)域中的對象和3D顯示一個圖形用戶界面，顯示車輛的健康和狀態(tài)數(shù)據(jù)的任何車輛（在任何時候），任務(wù)信息，以及其他任務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù) 圖2：測試平臺指揮和控制體系結(jié)構(gòu) 欲了解更多信息和有關(guān)這項研究的論文，請訪問http://vertol.mit.edu 致謝 筆者想感謝斯賓塞阿倫斯，格倫圖尼埃爾和邁克爾·羅賓斯在項目的寶貴援助。貝思克布雷特想感謝赫茲基金會和美國工程教育學(xué)會的鼎力支持本研究。這項研究已經(jīng)在華盛頓州西雅圖的波音鬼怪工程慷慨支持。研究還資助部分AFOSR授予FA9550 -04-1 -0458。 參考文獻(xiàn) [1]B. Shargel P. Gaudiano ， E. Bonabeau ， B.克拉夫， “控制無人機群：蟲蟲可以教我們什么， ”第二屆AIAA無人無限系統(tǒng)，技術(shù)，運營航天會議，圣地亞哥的法律程序中2003年9月，CA 。 [2 ] H. Paruanak ， S.布魯克納， J.奧德爾， “蟲群協(xié)調(diào)多無人機協(xié)同感知”在第二屆AIAA無人無限系統(tǒng)，技術(shù)，運營航天會議，圣地亞哥，加利福尼亞州， 9月進(jìn)行的法律程序2003年。 [ 3 ] ·??瓦倫蒂， B.貝思克， G.菲奧雷， J.如何E.干擾素， “室內(nèi)多輛飛行試驗臺的故障檢測，隔離和恢復(fù)，” AIAA制導(dǎo)，導(dǎo)航程序，和控制會議和展覽，梯形校正， CO ， 2006年8月。 [4] D.墊片， H.涌， HJ金，沙斯特里， “自主探索未知的城市環(huán)境中的無人機，”訴訟中的AIAA制導(dǎo)，導(dǎo)航，控制會議和展覽，舊金山，加利福尼亞州， 2005年8月。 [5] E.國王M. Alighanbari的， Y.桑田，和JP如何“協(xié)調(diào)和控制實驗測試平臺多輛， ”訴訟中的IEEE美國控制會議，2004年。 [ 6 ]納爾遜博士， DB理發(fā)， TW麥克萊恩， RW胡子， “向量場的小型無人飛行器”，在2006年美國控制會議， 2006年6月，明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市的重要路徑跟蹤。 [7 ] G.霍夫曼， DG Rajnarayan ， SL Waslander ， D.多斯塔爾， JS長， C.湯姆林“，斯坦福大學(xué)的試驗臺自主旋翼機多Agent控制（ STARMAC ）的，”在訴訟中的第23屆數(shù)字航空電子2004年11月，鹽湖城， UT系統(tǒng)會議。 [8 ] TJ辜a € ?Vanderbilt嵌入式計算平臺自主車（ VECPAV ） [8] ，“ € http://www.vuse.vanderbilt.edu/ kootj /項目/ VECPAV / 2006年7月。 [9] O.荷蘭， J.伍茲， RD納迪和A.克拉克， “超越群酥松：的UltraSwarm ， ”在2005年IEEE群酥松研討會，帕薩迪納，加利福尼亞州2005年6月進(jìn)行的法律程序中。 [10]維科“，機Vicon MX系統(tǒng)， ： ” http://www.vicon.com/products/viconmx.html ， 2006年7月。 作者簡介： 1.IEEE會員，博士候選人，電氣工程和計算機科學(xué)系，麻省理工學(xué)院，劍橋， MA 02139 valenti@mit.edu 2.IEEE學(xué)生會員，S.M.候選人，航空航天部，麻省理工學(xué)院，劍橋， MA 02139 bbethke@mit.edu 3.工程碩士。候選人，電氣工程和計算機科學(xué)系，麻省理工學(xué)院，劍橋， MA 02139 ddale@mit.edu 4.航空航天部，麻省理工學(xué)院，劍橋， MA 02139, frank@mit.edu的訪問學(xué)生， 5.S.M.候選人，航空航天部，麻省理工學(xué)院，劍橋， MA 02139 jsmcgrew@mit.edu 6.S.M.候選人，機械工程學(xué)系，麻省理工學(xué)院，劍橋， MA 02139 sahrens@mit.edu 7.航空航天，航天控制實驗室副教授，麻省理工學(xué)院，麻省理工學(xué)院，馬薩諸塞州大道77 33-326室，劍橋， MA 02139 jhow@mit.edu . 8.波音鬼怪工程技術(shù)研究員，西雅圖， WA 98124 john vian@ boeing.com 5