前言

四旋翼無人機自發(fā)明以來已經(jīng)有了非常長遠的發(fā)展，現(xiàn)階段對四旋翼無人機的運動學和動力學模型已經(jīng)有了很多較深入的研究，無人機仿真方面的軟件和工具也是層出不窮。

例如Gazebo有優(yōu)秀的物理引擎，可以模擬出真實的物理環(huán)境，同時也能夠自主搭建環(huán)境；鳳凰模擬器能夠模擬遙控器手動飛行，對于飛手的訓練有非常大的幫助。

Gazebo 中四旋翼無人機飛行效果圖



鳳凰模擬器中用遙控器控制四旋翼的飛行?? 現(xiàn)如今機器視覺和人工智能飛速發(fā)展，但是仿真軟件中的環(huán)境不夠逼真，直觀看起來比較假，同時背景環(huán)境也不夠豐富，并不能充分驗證計算機視覺等相關算法。

AirSim就是在這種情況下應運而生的，它將四旋翼的動力學模型與游戲引擎（虛幻引擎Unreal）相結合，借助游戲引擎強大的視覺渲染能力和豐富的場景，彌補了這一缺陷。

虛幻引擎 Unreal Engine，簡稱UE，中文譯名為虛幻引擎，是非常出名的游戲引擎，它是一套完整的游戲開發(fā)工具，目前已經(jīng)被廣泛應用于游戲開發(fā)、建筑設計與渲染、汽車展示、廣播與實況活動、影視渲染、訓練與模擬等各個領域中。

虛幻引擎同時還具備編輯器功能，具有照片級逼真的視覺渲染水平、支持動態(tài)物理模擬的效果，能夠制作出栩栩如生的動畫，甚至可以制作電影大片級的場面。其豐富而強大的數(shù)據(jù)接口，能夠為各行各業(yè)的專業(yè)人士帶來無限的創(chuàng)作自由。

從UE4版本開始，其源代碼就可以從Github開源社區(qū)下載，所以實質(zhì)上你可以修改任何東西，包括：物理引擎、渲染效果和用戶界面等。同時 UE4的跨平臺特性支持 Windows PC、Linux、Max OSX、iOS、安卓等平臺，甚至可以支持VR等虛擬現(xiàn)實的設備。

虛幻商城中有非常豐富的逼真場景可供選擇，甚至有復原了完整的著名城市和建筑群，下圖展示的有：沙漠景觀、城市建筑、公園、森林。虛幻引擎中的所有場景都可以設置為AirSim無人機仿真的環(huán)境場景。

虛幻商城中部分環(huán)境展示：沙漠、城市、公園、森林 這些豐富的場景中，還包含了風沙雨雪霧、落葉等不同天氣或氣候情況下的渲染，甚至包括同一地區(qū)不同季節(jié)時的景觀。

這些在仿真中都可以任意設置，能夠充分測試視覺算法在不同的場景下的效果。

虛幻商城中Realistic Landscapes 環(huán)境不同季節(jié)和氣候的景色展示

什么是 AiriSim

AirSim 是微軟公司開發(fā)的基于游戲引擎的一個開源的跨平臺仿真器，它可以用于無人機、無人機車等機器人的物理和視覺仿真。

它同時支持基于PX4 和 ArduPilot等飛行控制器的軟件在環(huán)仿真，目前還支持基于PX4的硬件在環(huán)仿真。 AirSim 是作為虛幻游戲引擎的插件而存在的，適配基于虛幻引擎搭建的環(huán)境，目前AirSim也有一個實驗版本的插件適用于Unity引擎。

得益于游戲引擎優(yōu)秀的視覺渲染效果，AirSim 仿真平臺在具備物理仿真的同時也具備了逼真的視覺仿真效果，這是其一大亮點，非常適用于進行基于深度學習等視覺AI仿真驗證。

AirSim提供了很多API接口，用于讀取數(shù)據(jù)、控制車輛、控制天氣等，使用 API接口可以實現(xiàn)自動收集數(shù)據(jù)集的功能，還可以測試視覺算法。

AirSim的開發(fā)者希望這個平臺能夠幫助研究人員用于深度學習、計算機視覺、強化學習等人工智能相關的研究，適用于無人機、無人駕駛、機器人等領域的應用。

AirSim支持多平臺運行，在Windows、Linux和Mac系統(tǒng)中可以運行，但是目前只有在Windows系統(tǒng)下才可以創(chuàng)建工程，而對于Linux系統(tǒng)下的使用，需要首先在 Windows 系統(tǒng)下創(chuàng)建好工程，再復制到Linux系統(tǒng)下。

AirSim 可以做什么

1. 手動飛行（駕駛）

使用可以接入電腦的無人機遙控器或者 XBox，都可以實現(xiàn)手動飛行仿真中的無人機，它不只能夠訓練飛手的飛行技術，還可以瀏覽美景。得益于虛幻商城中的豐富且逼真的場景，能夠給予玩家震撼的視覺效果，使用1比1復原的實現(xiàn)場景時，甚至有一種駕駛飛機瀏覽世界各地名勝的感覺。

2.程序控制無人機飛行（控制算法測試）

AirSim 提供了豐富的程序控制接口，用戶可以使用多種編程語言來編寫程序，實現(xiàn)對無人機的狀態(tài)讀取和飛行控制。AirSim 還支持硬件在環(huán)仿真，可以最大程度模擬四旋翼的飛行效果。

控制接口功能豐富，

包括四旋翼的： 位置控制、速度控制、姿態(tài)控制、電機控制 等，

支持 電機轉(zhuǎn)速控制 、底層飛控的 PID參數(shù)調(diào)節(jié) ，滿足了從基礎控制到 高機動控制 等不同的任務需求。

使用AirSim APIs 接口可以讀取無人機的狀態(tài)（位置、速度、姿態(tài)等），包括真實狀態(tài)、傳感器測量到的有噪聲的狀態(tài)信息。

AirSim 還支持同時仿真多架無人機，可以測試 集群和多無人機協(xié)同 算法。

AirSim 支持在視口中直接作圖，由此可以顯示無人機的 飛行軌跡 。

多無人機協(xié)同編隊控制 無人機跟蹤8字形軌跡

3. 數(shù)據(jù)集自動收集、視覺算法測試

仿真場景中可以知道全部的信息，使用程序控制，可以很方便地實現(xiàn)對無人機位置和姿態(tài)的控制，同時也能方便地控制相機的姿態(tài)和內(nèi)參。也可以同時添加多個相機，安裝在無人機的不同位置。

AirSim 中可以獲得的圖像包括： 單目 RGB圖像、雙目深度圖、分割圖、紅外圖 等。

由于是仿真模擬，深度圖和分割圖非常完美，并不能完全模擬顯示中的不確定性。

紅外圖是基于分割圖生成的，需要自己定義每個物體的溫度。

自由設置相機的 數(shù)量、位置、內(nèi)參 等。

自由添加噪聲： 相機畸變、運動模糊、圖片隨機噪 聲 等。

自由設置不同的天氣狀態(tài)： 雨、雪、霧、風速、落葉、沙塵 等。

自由 改變無人機的外觀 ，可以將無人機外形設置成任意型號的無人機，如 DJI Mavic。

可以導入現(xiàn)實中的環(huán)境。

設置時間流逝，由此可以 改變一天中太陽的位置 ，從而產(chǎn)生光照強度、光源位置變化，產(chǎn)生環(huán)境變化。

4.強化學習

AirSim 支持獲取碰撞信息，碰撞信息不止包括是否發(fā)生碰撞，還包括：發(fā)生碰撞的位置、發(fā)生碰撞的表面、碰撞深度等信息。使用程序可以讀取碰撞信息、無人機狀態(tài)等，加上強化學習算法，可以實現(xiàn)強化學習的訓練。

5. 多傳感器融合

AirSim 目前支持的傳感器有：相機、雙目相機、紅外相機、雷達、距離傳感器、氣壓計、IMU、GPS、磁力計。同時使用多個傳感器，可以測試多傳感器融合算法。





審核編輯：劉清