567_大學生方程式賽車設計（總體設計）

567_大學生方程式賽車設計（總體設計）,大學生,方程式賽車,設計,總體,整體 麻省理工學院的室內多輛飛行測試平臺 Mario Valenti, Brett Bethke, Daniel Dale, Adrian Frank, James McGrew, Spencer Ahrens, Jonathan P. How, and John Vian [摘要]：本文和視頻呈現的是為了研究在長時間受控環(huán)境中的無人機的室內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，系統的指揮和控制結構有很大關系。視頻顯示了過去一年從單一到多車的飛行測試結果。 背景 無人駕駛汽車已經被許多組織通過來自從數英里外的復雜的操作員站的操作，對其感興趣的對象進行定位，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]，認為對自治任務組如何進行健康管理需要做更多的工作。在過去，術語“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(如飛行控制、燃料管理、航空電子設備)的系統。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：團隊參與一項任務作為一個“車輛系統 “，每個車輛是一個多智能體團隊的每一個子系統等等。如在[3]所述，許多研究團隊使用戶外測試平臺來驗證關于理論創(chuàng)新無人機的概念[4] [5][6][7]。此外，還建立了一定數量的室內臺研究多智能體活動[8],[9]。這些實驗臺有大量的局限性，這使得無人機團隊為調查健康管理而執(zhí)行大規(guī)模，長時間任務的效率有限。例如，戶外平臺只能在適當的天氣和環(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隊，使長期測試的后勤困難且成本昂貴。此外，許多室內臺都是在一個2D或3D有限的飛行卷中操作。 相比之下，麻省理工學院室內試驗臺是專門設計來研究在一定受控環(huán)境中長期的任務。本試驗臺用于實現和分析嵌入艦隊和車輛健康狀態(tài)到任務和無人機的規(guī)劃的技術性能。特別是，我們正在使用真正的硬件研究有關車輛和多主體健康管理問題，如車輛故障、加油和維護。這個試驗臺由空中和地面車輛組成，允許研究人員進行測試各種各樣的任務場景。我們已經證明了一定數量的協調測試飛行(使用自主地面和空中車輛)。目前，我們正在實現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置測試平臺。試驗臺的核心是一個全球性的計算系統，得出整個房間的所有車輛的準確，高帶寬的位置和姿態(tài)數據。我們試驗臺配置不需要修改就可以添加子硬件實現無線遙控。因此，這個平臺是理想的快速原型的任務管理算法，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。 試驗臺的結構和組件 如圖1所示，試驗臺結構有四個主要組成：一個任務規(guī)劃層，用來設置系統目標和監(jiān)控系統的進程，一個任務分配層，這(一般來說)分配具體任務的車輛或車輛去組支持總體任務目標，一個軌跡設計層，引導每個車輛及其子系統在如何最好地執(zhí)行實際的任務提供的任務處理層，一個控制處理層，被設計用來開展上層系統設定的活動。注意，在決策過程中，系統每個組件的健康信息都提供給在架構的每個組件使用。這個健康監(jiān)測組件是設計來評估每個組件的性能，并提供反饋其他系統(和運營商)關于其進步和任務有效性。這種信息是用剩下的系統潛在的調整或重定向其使命和/或任務目標作為任務正在發(fā)生。 圖1：測試平臺結構框圖 這些健康管理算法在一個現實的，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-現貨（COTS）的R / C車的設計是耐用和安全 - 使它們適合室內飛行測試平臺。此外，沒有結構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/刀片組件應力。此系統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[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構，維科MX相機系統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，這些數據通過以太網傳輸到每輛車的地面控制計算機。 此外，該試驗臺的設計與自動化系統的任務管理器。由于系統中的每個飛行器起飛，自主降落，自主任務管理器管理所有空中和地面車輛控制系統中使用這些任務命令（如圖2所示）。因此，可多輛的任務的情況（例如，搜索，持久監(jiān)視）組織和實施自主的任務管理器。最后，該系統被設計為允許操作者發(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)數據的任何車輛（在任何時候），任務信息，以及其他任務相關的數據 圖2：測試平臺指揮和控制體系結構 欲了解更多信息和有關這項研究的論文，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會的鼎力支持本研究。這項研究已經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 [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，技術，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， “蟲群協調多無人機協同感知”在第二屆AIAA無人無限系統，技術，運營航天會議，圣地亞哥，加利福尼亞州， 9月進行的法律程序2003年。 [ 3 ] ·??瓦倫蒂， B.貝思克， G.菲奧雷， J.如何E.干擾素， “室內多輛飛行試驗臺的故障檢測，隔離和恢復，” AIAA制導，導航程序，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，導航，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“協調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“，斯坦福大學的試驗臺自主旋翼機多Agent控制（ STARMAC ）的，”在訴訟中的第23屆數字航空電子2004年11月，鹽湖城， UT系統會議。 [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月進行的法律程序中。 [10]維科“，機Vicon MX系統， ： ” 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系，麻省理工學院，劍橋， MA 02139 valenti@mit.edu 2.IEEE學生會員，S.M.候選人，航空航天部，麻省理工學院，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系，麻省理工學院，劍橋， MA 02139 ddale@mit.edu 4.航空航天部，麻省理工學院，劍橋， MA 02139, frank@mit.edu的訪問學生， 5.S.M.候選人，航空航天部，麻省理工學院，劍橋， MA 02139 jsmcgrew@mit.edu 6.S.M.候選人，機械工程學系，麻省理工學院，劍橋， MA 02139 sahrens@mit.edu 7.航空航天，航天控制實驗室副教授，麻省理工學院，麻省理工學院，馬薩諸塞州大道77 33-326室，劍橋， MA 02139 jhow@mit.edu . 8.波音鬼怪工程技術研究員，西雅圖， WA 98124 john vian@ boeing.com 5