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作者与机构
本研究由Jialei Huang†, Fakui Wang†和Tianjiang Hu∗共同完成，所有作者均来自中山大学航空航天学院的机器智能与群体机器人（MICRO）实验室。研究发表于2023年10月1日至5日在美国底特律举行的IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)会议。
学术背景
群体无人机飞行是机器人研究中的一个极具吸引力的领域，其灵感来源于自然界中鸟群或其他动物的集体行为。目前，许多学者希望通过这些复杂系统设计出比单架无人机更具协作能力的空中群体。然而，现有的群体飞行模型和平台功能分散，且通常需要跨平台、多编程语言重复开发，增加了用户的工作量和编程技能要求。此外，现有平台大多不支持参数自动调优和批量处理等关键功能。因此，本研究旨在开发一个开源、通用的平台Coflyers，提供从群体飞行模型到真实无人机群体飞行的端到端全链开发功能，并在单一用户友好的编程环境中实现。
研究目标
Coflyers平台的主要目标是提供一个综合功能集，使用户能够在MATLAB&Simulink这一单一编程环境中完成群体运动算法的开发、验证和优化。具体目标包括：
1. 提供快速原型设计、参数自动调优和批量处理功能；
2. 实现高保真仿真和实验验证；
3. 通过标准化UDP通信接口连接不同外部平台，实现代码复用和无缝迁移。
研究流程
Coflyers平台的开发分为以下几个主要步骤：
平台架构设计
Coflyers平台由原型模拟器和无人机群体验证系统组成。原型模拟器使用MATLAB实现，支持快速原型设计、参数自动调优和批量处理，并提供图形用户界面（GUI）。验证系统则通过Simulink实现，直接调用原型模拟器模块，并通过标准化UDP通信接口连接外部平台。
原型模拟器开发
原型模拟器采用分层模块化设计，分为上层和下层。下层模块包括群体模块、评估模块、运动模块、噪声模块、地图模块和传感器模块，用于模拟、评估和可视化群体运动。上层模块则基于下层模块实现快速原型设计、参数自动调优和批量处理功能。参数管理通过XML文件实现，用户可以通过MATLAB命令输入数组、数学运算和调用函数。
验证系统开发
验证系统的主要组件是Simulink中的群体指挥官模块，该模块根据输入无人机数量动态调整，并直接调用原型模拟器中的脚本函数，实现代码复用。为了连接不同外部平台，开发了通信转发模块和标准化UDP接口。通过该接口，指挥官模块可以与PX4&Gazebo等高保真仿真平台以及Optitrack&Tello等实验系统通信。
案例研究
为验证Coflyers平台的实用性，研究团队将其应用于多无人机在受限环境中的集体飞行场景。通过ROS&PX4&Gazebo实现高保真仿真，并通过Optitrack&Tello无人机进行实验验证。结果表明，Coflyers平台在仿真和实验中均表现出用户友好的实用性。
性能评估
研究团队通过对比Coflyers与SwarmLab的计算效率，验证了Coflyers在群体规模较大时的优势。Coflyers利用MATLAB的向量化计算特性，显著提高了运行效率。
主要结果
1. 快速原型设计与参数自动调优
使用Vasarhelyi算法进行快速原型设计和参数自动调优，优化后的群体在无碰撞飞行中表现出高稳定性和一致性（速度一致性ϕ̃corr=0.9771，速度保持ϕ̃vel=0.9658）。
批量处理与算法鲁棒性分析
通过批量处理模块分析了算法在控制采样时间和速度噪声变化下的鲁棒性，结果显示在控制采样时间低于0.49秒、速度噪声低于0.24米/秒时，算法表现最佳。
高保真仿真与实验验证
在高保真仿真中，20架无人机在障碍物环境中表现出高稳定性和一致性，并成功避障。在实验验证中，12架Tello无人机在4米×6米的场地中实现了无碰撞和一致性飞行。
计算性能
Coflyers在群体规模较大时表现出显著的计算效率优势，其实时因子（ρ）随群体规模增长呈非线性变化，优于SwarmLab的线性增长。
结论与意义
Coflyers平台为群体运动算法的开发、验证和优化提供了一个综合、用户友好的解决方案。其主要贡献包括：
1. 提供了一个开源的通用平台，支持端到端的全链开发；
2. 通过标准化UDP接口实现了与不同外部平台的无缝连接；
3. 通过案例研究验证了平台在受限环境中的实用性。
研究亮点
1. 单一编程环境：Coflyers平台使用MATLAB&Simulink作为唯一编程环境，降低了用户的学习门槛和工作量。
2. 综合功能集：平台集成了快速原型设计、参数自动调优、批量处理、高保真仿真和实验验证等功能。
3. 高效计算性能：利用MATLAB的向量化计算特性，显著提高了大规模群体仿真的效率。
未来工作
Coflyers目前仅支持外部控制，未来将探索利用MATLAB&Simulink的自动C/C++代码生成功能，实现真正的分布式机器人系统。
以上报告详细介绍了Coflyers平台的开发背景、研究流程、主要结果及其意义，为相关领域的研究者提供了全面的参考。