1. Antecedentes
Ya sea civil o militar. La agrupación pequeña de drones / robots es una tendencia. En la actualidad, se utilizan muchos robots logísticos y muchos robots cooperan para completar tareas.
Con el desarrollo de la tecnología y la entrada en la era de los robots, la comunicación y la colaboración entre máquinas es una tendencia inevitable. Intercambio de datos de robots de clúster, intercambio de datos de estado de sensores e interfaz de control mutuo. Para lograr que cualquier robot del clúster pueda obtener los datos de estado de otros robots, controlar el movimiento de otros robots y realizar trabajo colaborativo en grupo. La elección del mecanismo de comunicación es más importante e implica la conexión en red de robots de clúster.
Este artículo es para discutir y probar el uso del mecanismo de comunicación ROS para realizar múltiples grupos de drones.Cada drone en la red puede realizar la lectura de datos mutuos y el control mutuo, y la formación de la formación de redes de drones y la coordinación de percepción.
A diferencia de las actuaciones de formación ordinarias, en las actuaciones de formación, la estación terrestre tiene un control y múltiples controles, y la formación de drones se puede configurar de antemano. La colaboración de varios aviones significa que cada UAV debe interactuar con todos los UAV o los UAV circundantes y controlarse entre sí. La formación completa de UAV no está predeterminada, pero los UAV se detectan y controlan entre sí. Como resultado, el algoritmo converge en un UAV óptimo trayectoria para lograr el trabajo colaborativo.
2. Diagrama de bloques funcionales del sistema
Hay dos aspectos a considerar en el trabajo en grupo:
El primer sistema de hardware de comunicación debe admitir la red y la interconexión de cada nodo (dron / vehículo no tripulado). El requisito es la comunicación dúplex para formar una red. Hay muchos módulos de transmisión de datos para la comunicación dúplex, pero es posible la creación de redes a gran escala. A un poco menos. Generalmente, una LAN TCP / IP es una red en forma de estrella con un enrutador como nodo central. Todos los datos se envían a través de la dirección IP del enrutador y cada nodo puede comunicarse entre sí. Luego, el ancho de banda del flujo de datos de el nodo central del enrutador, es el límite superior del ancho de banda de transmisión de datos de toda la red. Normalmente hablamos de ancho de banda de 100M y ancho de banda de gigabit. La capacidad de datos de gigabit es definitivamente mayor que el ancho de banda de 100M. También hay algunos sistemas de hardware de comunicación sin un nodo central. Generalmente, el precio es relativamente alto y el ancho de banda es limitado. No se describe aquí. También puede encontrar algunas soluciones consultando a los fabricantes de comunicaciones.
La estructura del segundo sistema de software, cuál es la estructura del grupo de nodos sobre los que se ejecuta cada dron / vehículo no tripulado, si se adopta la solución ROS, ROS es un nodo que admite la operación distribuida, es decir, nadie El dron y UAV 2 puede comunicarse entre sí mediante nodos ROS. El ROS1 actual utiliza un punto central de comunicación, es decir, en la Figura 1, el ROS Master es el centro de todo el nodo ROS, formando una estructura de red en estrella, este ROS Master es un puente de comunicación con otros nodos. El factor malo es que el nodo central de ROS Mater es anormal y falla toda la red.
En términos de hardware, la solución del enrutador WIFI (TCP / IP) también es anormal en el nodo central del enrutador y la red falla.
A nivel de software, el método ROS1 es el mismo y la red anormal ROS Master también falla.
Sin embargo, las ventajas de usar lo anterior son: Hay muchas opciones maduras para equipos WIFI LAN.
ROS1 también proporciona múltiples nodos distribuidos, lo que resuelve el problema de la arquitectura del software. No es necesario considerar el problema del software de la comunicación mutua. La lista de mensajes de la red ROS1 contiene todos los datos e instrucciones de control de todos los nodos de la red actuales. El UAV 1 obtiene el UAV Según los datos del sensor de 2, UAV 1 y UAV 2 pueden controlar mutuamente la velocidad de vuelo y la posición de vuelo del otro. Esto forma la base de la inteligencia del enjambre. Proporcionar una interfaz para la conciencia y el control mutuos.
Sin embargo, es necesario considerar el problema del número de grupos acomodados de esta manera. Creemos que esta forma de acomodar 10 equipos no tripulados es relativamente fácil tanto en simulación 3D como en vuelo real con drones. Si desea acomodar más sistemas no tripulados, se debe optimizar el flujo de mensajes y se deben seleccionar dispositivos de hardware con mayor ancho de banda de comunicación. En teoría, un segmento de red de la LAN puede albergar 255 dispositivos.
Otro punto es el lanzamiento de ROS2, que soporta DDS, un método de comunicación sin nodo central. El nivel de comunicación del software no tiene un punto central. La estabilidad se mejora mucho. A nivel de comunicación de mensajes del software, es una inteligencia de grupo que es muy Adecuado para la creación de redes. Debido a que ROS2 se lanzó pronto, todavía vale la pena estudiar el seguimiento. Especialmente el modo distribuido real de ejecutar DDS.
Diagrama de funcionamiento del software del sistema ROS1
Parte del gráfico de nodos de mensajes
Usando el modo de mensaje distribuido ROS, por ejemplo, UAV No. 1 envía instrucciones al UAV No. 2, simplemente agregue un prefijo / uav2 / **** o / uav1 / ****, puede leer o enviar instrucciones de control a UAV # 2. El sistema ROS mantiene una cola de instrucciones de mensajes (tema) de todos los drones. De acuerdo con la cola de instrucciones de mensajes de índice, se pueden compartir los mensajes de los sensores y las instrucciones de control de todos los drones del clúster.
Video de simulación
El uso del código de simulación del entorno ROS es muy coherente con el código de la máquina real y no es necesario considerar el problema de que el código de simulación no se puede utilizar en la máquina real.
5 UAV en un entorno de simulación para conmutación de formación de varias aeronaves
Video de prueba real
Prueba de formación de UAV: prueba de formación de vuelo al aire libre de 4 UAV
Lo anterior es una prueba de 4 UAVs, debido a que se usa el GPS general y la precisión es limitada (0.5 a 2 metros), la formación de la formación no es ideal. Pero puede ver el efecto básico de la colaboración de múltiples máquinas, que es la base de software y hardware para la futura colaboración de algoritmos inteligentes.
5 video de prueba colaborativa de formación de UAV
Prueba de formación de UAV basada en la coordinación de múltiples máquinas del nodo ROS
La arquitectura es PX4 firmware 410 distancia entre ejes UAV, ROS, MAVROS .
El equipo de hardware de la red de comunicaciones es el siguiente:
El sistema implica la introducción del hardware de red : https://homer-wiki.readthedocs.io/en/latest/
El estado real del ancho de banda del hardware de trabajo, el método de comunicación y el ancho de banda de comunicación son consideraciones muy importantes. Registramos los datos de ancho de banda de comunicación de 5 ROS1.
Solo el ancho de banda del sistema ocupado por el nodo maestro ROS es el siguiente:
El valor máximo es 347 KB, que es el ancho de banda ocupado por un dron principal para iniciar la interacción del flujo de datos ROS.
El ancho de banda ocupado por 5 UAVs que arrancan simultáneamente el sistema es el siguiente:
El valor máximo es 1,16 MB / S, el ancho de banda de diseño de esta imagen de hardware y la transmisión de datos es 100 M, y el ancho de banda de transmisión teórico es 12 MB / S. Por lo tanto, la coordinación de red de los cinco UAV está lejos de estar en línea. Se estima que aún se puede realizar la red de unos 10 drones ROS.
Si todos los datos de imagen y video se van a compartir, la presión sobre el ancho de banda será mayor. Sin embargo, es relativamente fácil compartir datos como datos de posición del sensor general, datos de velocidad, datos de estado y datos de comando de control, y el ancho de banda aún puede cumplir con los requisitos. En segundo lugar, los datos de comunicación se pueden optimizar. En el estado cooperativo, solo se pueden retener datos como la posición, la velocidad, la actitud y el estado. También puede acomodar más drones cuando el ancho de banda es limitado.
Prueba de ancho de banda de sierra de tracción : (el ancho de banda de comunicación se verá afectado por la distancia. La prueba de balancín es necesaria, pero está limitada al lugar. Más adelante realizaremos la prueba de ancho de banda de sierra de tierra)
- Recomendación del curso ROS (utilizado para complementar la base ROS): https://bbs.amovlab.com/plugin.php?id=zhanmishu_video:video&mod=video&cid=32
- Cursos recomendados para simulación ROS de drones (el curso sobre simulación de drones en clúster se agregará más adelante): https://bbs.amovlab.com/plugin.php?id=zhanmishu_video:video&mod=video&cid=18
Para este producto y proyecto, queremos evolucionar eventualmente hacia una fusión de aproximadamente 10 drones para evitar obstáculos y colaboración inteligente de imágenes. Por ejemplo, el movimiento horizontal / vertical de uno de los drones encuentra el objetivo de interés y vincula todos los drones a alcanzar la etapa inicial Inteligencia de grupo. También buscamos la cooperación con universidades e institutos de investigación poderosos. Ofrecemos plataformas de hardware e interfaces comunes para realizar conjuntamente el sistema de control colaborativo inteligente UAV.
La cuenta pública de WeChat presta atención a "Amu Lab" para obtener los productos secos de tecnología de punta y evaluación de drones por primera vez.