空地機(jī)器人協(xié)同作業(yè)是近年來機(jī)器人領(lǐng)域的重點(diǎn)研究方向，其內(nèi)容涉及環(huán)境感知、地圖構(gòu)建、任務(wù)規(guī)劃、多機(jī)控制與智能調(diào)度等領(lǐng)域的知識。
目前無人機(jī)系統(tǒng)的智能化水平有限，單一的無人系統(tǒng)難以適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，無法及時有效地完成指定任務(wù)。一方面，作業(yè)任務(wù)通常具有高度多樣性和復(fù)雜性，多種要素相互交織，無人機(jī)載傳感器受到飛行速度和高度的限制以及飛行環(huán)境中的不確定性，為識別和定位地面目標(biāo)的能力設(shè)置了障礙，單個空中機(jī)器人（UAV）難以完成任務(wù)，因此多個無人機(jī)協(xié)作已成為必然選擇。另一方面，地面環(huán)境要素復(fù)雜，地面移動機(jī)器人（UGV）雖然可以精確地定位地面目標(biāo)，但無法快速移動或穿越建筑物和柵欄等障礙物，且通信鏈路面臨較多阻礙；空中機(jī)器人和地面機(jī)器人都有其自身的局限性，這在一定程度上降低了其執(zhí)行任務(wù)的效率；另一方面，UAV和UGV在速度、傳感、通信以及有效負(fù)載能力等方面具有顯著的互補(bǔ)性。因此，開展多個地面機(jī)器人和多個空中機(jī)器人協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)中自主導(dǎo)航、復(fù)雜物體自主抓取、協(xié)同組隊、多機(jī)器人控制等關(guān)鍵技術(shù)研究具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
空地異構(gòu)機(jī)器人實(shí)驗室建設(shè)方案體系結(jié)構(gòu)如下圖：
空地異構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)組成，硬件系統(tǒng)包括無人機(jī)、移動平臺以及用于感知環(huán)境信息的多種傳感器。異構(gòu)機(jī)器人通過傳感器感知任務(wù)場景信息用于地圖構(gòu)建、地圖融合以及物體跟蹤等任務(wù)，不同類型的傳感器之間進(jìn)行信息融合可以對任務(wù)場景進(jìn)行立體感知，從而提高異構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的魯棒性。軟件系統(tǒng)主要指異構(gòu)機(jī)器人的控制架構(gòu)，包括多機(jī)器人間的任務(wù)分配、協(xié)調(diào)作業(yè)以及學(xué)習(xí)優(yōu)化等內(nèi)容。異構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)在處理動態(tài)場景下的復(fù)雜任務(wù)的過程中，首先通過傳感器獲取足夠的環(huán)境信息用于機(jī)器人任務(wù)的推理與決策，多機(jī)器人通過協(xié)調(diào)作業(yè)完成具體任務(wù)目標(biāo)，任務(wù)過程中通過學(xué)習(xí)獲取經(jīng)驗知識用于系統(tǒng)的優(yōu)化。
空地異構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的主要由地面UGV平臺和無人機(jī)以及各種傳感器組成，無人機(jī)以及UGV平臺上搭載不同類型的傳感器，該系統(tǒng)主要組成部分如下：
husky全地形移動平臺：
該平臺采用四輪差速驅(qū)動系統(tǒng)，適合全地形的輪胎以及較高的底盤高度能夠適應(yīng)各種路面，能夠適應(yīng)戶外的工作環(huán)境，車體內(nèi)置高速處理器、編碼器、IMU能夠?qū)崿F(xiàn)車體的底層控制，并附帶有遙控裝置，平臺安裝UST-10LX 2D激光傳感器，掃描測距范圍10m，可用于高速運(yùn)動機(jī)器人避障和位置識別；高精度、高分辨率、寬視場設(shè)計給自主導(dǎo)航機(jī)器人提供了良好的環(huán)境識別能力；緊湊型設(shè)計節(jié)約了安裝空間，低重量、低功耗。
UR5六自由度輕量型機(jī)械臂：
UR5工業(yè)機(jī)械手臂具有輕巧、高度靈活等優(yōu)點(diǎn)，有效載荷達(dá)5千克，工作半徑達(dá) 33.5英寸（850 毫米），可完美地優(yōu)化輕量級協(xié)作流程（如抓取、放置和測試）。易于編程，設(shè)置快捷，具備協(xié)作性與安全性，可用于替代人工從事的重復(fù)性、危險性作業(yè)場景。
KINECT深度傳感器：
Kinect是微軟公司開發(fā)的一種用于人機(jī)交互的體感周邊外設(shè)，具有即時動態(tài)捕捉、影像辨識、麥克風(fēng)輸入、語音辨識、社群互動等功能。主要特色包括：
- 原始感測數(shù)據(jù)流:開發(fā)人員能夠直接取得距離傳感器、彩色攝影機(jī)以及四單元麥克風(fēng)數(shù)組的原始數(shù)據(jù)流，可以利用Kinect傳感器的低階數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。
- 骨架追蹤:Kinect能夠?qū)崿F(xiàn)視野內(nèi)一位或二位用戶的骨架影像，便于建立以體感操作的應(yīng)用程序。
- 音效功能:包括抑制噪音與回音消除功能、可透過音波形式辨識聲音來源，并且能與Windows語音識別API整合。
- 簡易的安裝:Kinect提供了在Windows系統(tǒng)上的標(biāo)準(zhǔn)化安裝方式，無需復(fù)雜的組態(tài)設(shè)定。
- 完整的說明文件:SDK也隨附詳細(xì)的高質(zhì)量技術(shù)文件。除了內(nèi)建的說明檔案之外，還包括了多個范例詳細(xì)的逐步分解說明。
大疆M系列無人機(jī)：
該系列無人機(jī)具有高負(fù)載和優(yōu)秀的飛行性能，搭載了專業(yè)級的飛行控制系統(tǒng)，配備了IMU和GNSS模塊，配合軟件解析余度實(shí)現(xiàn)6路冗余導(dǎo)航系統(tǒng)，模塊安裝進(jìn)行避震設(shè)計，數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的操控和穩(wěn)定的飛行表現(xiàn)。并支持搭載云臺和進(jìn)行硬件的擴(kuò)展，為后期開發(fā)提供了較大的空間。
Guidance立體視覺系統(tǒng)：
Guidance是一款全新的視覺傳感導(dǎo)航系統(tǒng)，內(nèi)置功能強(qiáng)大的處理核心，配備五組視覺超聲波組合傳感器，采用高精度立體視覺算法，近地面定位精度可達(dá)厘米級，在復(fù)雜地形和高速飛行條件下均可提供定位信息，有效高度高達(dá)20米，可實(shí)時監(jiān)測多個方向的環(huán)境信息并感知障礙物，與適當(dāng)?shù)娘w行控制器配合，可使得飛行器在高速飛行中對可能發(fā)生的碰撞及時避讓。
該套實(shí)驗設(shè)備可開展以下科學(xué)研究：
- 空地異構(gòu)機(jī)器人控制架構(gòu)
- 空地異構(gòu)機(jī)器人分布式感知與地圖構(gòu)建
- 空地異構(gòu)機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃與協(xié)同作業(yè)
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