曾 龍，熊乾凱，江 波，李誠龍，許富龍

面向無人機(jī)城市空中視覺導(dǎo)航仿真平臺實(shí)現(xiàn)

曾 龍，熊乾凱，江 波，李誠龍，許富龍

（中國民用航空飛行學(xué)院空中交通管理學(xué)院，廣漢 618300）

系統(tǒng)仿真是無人機(jī)飛行導(dǎo)航與控制程序設(shè)計的重要手段，面向城市空中交通場景視覺導(dǎo)航算法設(shè)計的開發(fā)需求，首先調(diào)研了針對無人機(jī)所開發(fā)的多種飛行器仿真模擬平臺，確定了基于Airsim搭建所需城市空中視覺導(dǎo)航仿真平臺的技術(shù)路線，并進(jìn)一步詳細(xì)介紹了該仿真平臺的搭建方法，最后給出了該仿真場景的搭建結(jié)果。

無人機(jī)；仿真平臺；城市空中交通；視覺導(dǎo)航

0 引言

相比傳統(tǒng)的固定翼飛行器，無人機(jī)具有可垂直起降、機(jī)動性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、交通、物流、植保、軍事等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，基于可視化交互的機(jī)器人仿真技術(shù)獲得了快速的發(fā)展和應(yīng)用。為減少無人機(jī)飛行試驗(yàn)中天氣、光照等自然因素的影響，同時考慮到試飛區(qū)域的限制以及飛行器的安全問題，近年來相關(guān)研究人員針對不同的實(shí)驗(yàn)需求，利用計算機(jī)建立了多種飛行仿真模擬平臺，以此來進(jìn)行無人機(jī)的研制開發(fā)、飛行試驗(yàn)以及算法實(shí)驗(yàn)，有效地降低了研究成本，并具有效率高、復(fù)用性高、擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。

城市空中交通（Urban Air Mobility，UAM）這一新興航空運(yùn)輸概念自2017年由NASA等機(jī)構(gòu)提出以來，一直受到各航空機(jī)構(gòu)與廠商的廣泛關(guān)注[1]，成為城市交通新的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。城市環(huán)境具有地形復(fù)雜、電磁干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，尤其是高層建筑會對飛行器導(dǎo)航信號產(chǎn)生多徑干擾和屏蔽效應(yīng)，導(dǎo)致飛行器GNSS信號跳變甚至丟失，因此除衛(wèi)星信號導(dǎo)航之外的多種傳感器導(dǎo)航方式研究可以為UAM提供冗余的導(dǎo)航數(shù)據(jù)備份。本文基于AirSim仿真軟件，針對UAM特定環(huán)境提出了一套視覺仿真平臺。

本文從工程應(yīng)用需求出發(fā)，收集分析當(dāng)前常用的無人機(jī)仿真平臺，介紹各種仿真平臺的總體設(shè)計、基本框架等，并對各種仿真平臺優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析對比。

1 無人機(jī)仿真平臺對比

1.1 Flight Gear飛行模擬器

Flight Gear開源飛行模擬器自1997年發(fā)布至今，作為一款自由軟件一直持續(xù)更新。其仿真效果如圖1所示。當(dāng)前最新版本發(fā)布于2021年7月，適用于Windows、Ubuntu、Mac等操作系統(tǒng)，采用了基于美國地質(zhì)勘探局發(fā)布的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，建立了大多數(shù)區(qū)域的三維地貌特征，并收錄了全球主要機(jī)場的各類信息，支持?jǐn)?shù)百種飛行器模型[2]。

圖1 Flight Gear仿真效果

開放者為便于地形模擬、飛行器設(shè)計、聲效設(shè)計等不同需求的開發(fā)，F(xiàn)light Gear為多模塊化設(shè)計，對某一模塊進(jìn)行升級時不需要對整個系統(tǒng)進(jìn)行重新編譯[3]，具有較高的開放性和用戶可擴(kuò)展性。經(jīng)過多年的發(fā)展，F(xiàn)light Gear的結(jié)構(gòu)框架較為復(fù)雜，其系統(tǒng)與模塊相互關(guān)系如圖2所示。該模擬器中最重要的模塊為飛行動力學(xué)系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)，這兩部分通過讀取外部接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部解算，得到可視化模擬所需數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對飛行器飛行航跡的模擬。之后通過對地形渲染、聲效系統(tǒng)、電子導(dǎo)航系統(tǒng)等模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成對整個飛行的仿真模擬。Flight Gear仿真建模重在建立高精度、高真實(shí)感的機(jī)場跑道、飛行器等模型，地形中的其他地物紋理主要是通過圖片的重復(fù)鋪貼來實(shí)現(xiàn)，有明顯的人工痕跡，導(dǎo)致真實(shí)感較低[4]。

圖2 Flight Gear仿真平臺框架

1.2 Gazebo機(jī)器人仿真平臺

Gazebo機(jī)器人仿真平臺由A Howard等人于2002年開發(fā)[5]，旨在復(fù)雜條件下對室內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行機(jī)器人模擬。2009年Gazebo集成了ROS和PR2，成為ROS社區(qū)使用的主要工具之一。當(dāng)前Gazebo具有較好的物理引擎、歸回測試和AI訓(xùn)練系統(tǒng)，可以對機(jī)器人進(jìn)行高仿真度模擬。其仿真效果如圖3所示。

圖3 Gazebo仿真效果

Gazebo仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。世界模塊為所有模型和環(huán)境因素的集合，包括重力、照明等。每個模型由至少一個主題和任意數(shù)量的關(guān)節(jié)、傳感器組成。該平臺設(shè)計了簡單的API來完成模型的建立，這些API的底層為處理物理模擬和可視化的第三方庫，通過共享的內(nèi)存接口接受客戶端命令并返回數(shù)據(jù)。Gazebo可以針對多旋翼無人機(jī)、固定翼飛行器、汽車、關(guān)節(jié)機(jī)器人等進(jìn)行機(jī)械仿真，但其仿真場景與渲染較為落后，不適用于基于視覺的算法實(shí)驗(yàn)[6]。

圖4 Gazebo仿真平臺框架

1.3 jMavSim仿真軟件

jMavSim是輕量級的旋翼飛行器仿真軟件[7]，可通過PX4對仿真環(huán)境中的飛行進(jìn)行控制，并支持Mavlink協(xié)議。該仿真軟件采用UDP接口與地面站連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，與地面站連接后，作為地面站與自動駕駛儀之間的橋梁，完成可視化仿真，其仿真效果如圖5所示。jMavSim使用了Java3d庫進(jìn)行可視化，但由于Java3D庫已經(jīng)停產(chǎn)了很長時間，雖然現(xiàn)在已經(jīng)開始再次維護(hù)，但其環(huán)境建模和渲染效果較差，而且不支持添加各類傳感器，因此jMavSim更側(cè)重于基于飛控的相關(guān)算法測試，不能進(jìn)行基于各傳感器的無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)。

圖5 jMavSim仿真效果

1.4 AirSim仿真平臺

AirSim仿真平臺是由微軟公司開發(fā)的一款開源無人車/無人機(jī)仿真平臺[8]，其仿真環(huán)境是基于虛幻引擎（Unreal Engine，UE）開發(fā)的，支持跨平臺的軟/硬件在環(huán)仿真，其主要特點(diǎn)是具有極高的物理與視覺還原度，適用于自動駕駛相關(guān)的深度學(xué)習(xí)、計算機(jī)視覺以及強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法的研究，其仿真效果如圖6所示。

圖6 AirSim仿真效果

AirSim具有強(qiáng)大的場景搭建工具，包括城市、林地、湖泊、小鎮(zhèn)等豐富的場景，開發(fā)者可以在城市中心、鄉(xiāng)鎮(zhèn)道路、郊野、工業(yè)區(qū)等多樣的環(huán)境下對飛行器算法進(jìn)行測試。AirSim支持MavLink等主流無人機(jī)協(xié)議，可使用Pixhawk以及PX4固件對仿真環(huán)境中的無人機(jī)進(jìn)行直接控制。同時該仿真平臺支持C++與Python語言，提供了多語言的API接口，具有完善的底層控制框架，可直接對中上層控制進(jìn)行設(shè)計。AirSim具備了多樣的傳感器，包括單目相機(jī)、雙目相機(jī)、深度相機(jī)、IMU、激光雷達(dá)、全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)、磁力傳感器等，具備較高的擴(kuò)展性。其仿真平臺框架如圖7所示。

2 城市空中交通視覺導(dǎo)航仿真平臺

考慮到城市復(fù)雜環(huán)境的影響，以及城市空中無人機(jī)試驗(yàn)的安全性等因素，UAM環(huán)境下的視覺導(dǎo)航研究需要在仿真環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，為此本文提出一種基于AirSim的城市空中交通仿真平臺。該仿真環(huán)境覆蓋了對空中航路、復(fù)雜地形（城市樓宇間）、惡劣天氣（強(qiáng)風(fēng)、大霧）、晝夜明暗、非合作目標(biāo)闖入等多類場景的模擬能力，可以獲取無人機(jī)飛行期間的單目、雙目、深度相機(jī)、激光雷達(dá)等多傳感器信號?？紤]到城市場景的特點(diǎn)，在該環(huán)境中1：1還原了城市高樓、道路等元素，同時在選擇好的各高樓頂添加無人機(jī)停機(jī)坪，便于后續(xù)開展無人機(jī)航路設(shè)計、視覺導(dǎo)航等工作，其仿真效果如圖8所示。

圖8 城市空中交通仿真平臺效果

2.1 搭建平臺

本平臺的搭建主要是為了在UAM環(huán)境下進(jìn)行無人機(jī)視覺導(dǎo)航算法的研究，對仿真環(huán)境的模擬能力要求較高，其仿真環(huán)境需要對包括停機(jī)坪、道路、中高層建筑等元素進(jìn)行模擬。本平臺的仿真環(huán)境主要以深圳地標(biāo)建筑為原型，在中高層建筑樓頂放置了停機(jī)坪，停機(jī)坪設(shè)計要求滿足《MH5013-2014民用直升機(jī)場飛行場地技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]，停機(jī)坪示意圖如圖9所示。

圖9 停機(jī)坪著陸點(diǎn)示意圖

本仿真平臺主要分為仿真渲染和飛行控制兩個部分。仿真渲染部分主要由虛幻物理引擎對城市環(huán)境與飛行器模型進(jìn)行仿真，確保飛行器可以實(shí)時獲取單目仿真圖像；飛行控制部分包含無人機(jī)底層的API控制，允許單目、IMU、GPS等多傳感器獲取無人機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)，之后通過客戶端編程來設(shè)計無人機(jī)的中上層控制，具體流程如圖10所示。

圖10 城市空中交通仿真平臺流程圖

2.2 仿真使用

文獻(xiàn)[10]中設(shè)計了一種UAM環(huán)境下無人機(jī)斜飛起降方法，并在本仿真平臺完成了仿真模擬實(shí)驗(yàn)。該平臺首先完成城市環(huán)境與飛行器的仿真渲染，之后對飛行器進(jìn)行最終進(jìn)近階段的航路設(shè)計，無人機(jī)在獲取到實(shí)時的單目相機(jī)數(shù)據(jù)后，通過控制算法對無人機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整。仿真平臺使用效果如圖11所示。

圖11 無人機(jī)仿真平臺使用效果

3 結(jié)論

本文總結(jié)了現(xiàn)今常用的無人機(jī)飛行仿真平臺，如表1所示，首先對表1中飛行器平臺進(jìn)行對比，分別從是否開源、仿真模型、支持仿真的視覺傳感器、ROS接口、逼真度、豐富度、可滿足的仿真需求等幾方面進(jìn)行了比較分析。

表1 無人飛行仿真平臺對比

為保證城市場景具有較高的視覺與物理仿真能力，本文最終選用AirSim作為仿真平臺，完成了一種城市空中交通視覺導(dǎo)航仿真平臺的搭建，為后續(xù)相關(guān)場景無人機(jī)視覺導(dǎo)航算法設(shè)計提供仿真基礎(chǔ)。本文提出的仿真環(huán)境可以較好地完成城市關(guān)鍵元素的視覺與物理仿真，后續(xù)還需要在細(xì)節(jié)處進(jìn)行改進(jìn)。

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Realization of UAV-Oriented Urban Aerial Visual Navigation Simulation Platform

ZENG Long, XIONG Qiankai, JIANG Bo, LI Chenglong, XU Fulong

System simulation is an important measure for UAV flight navigation and controlling program design. To meet the development needs of visual navigation algorithm design in urban air mobility, a variety of aircraft simulation platforms developed for UAV is investigated in the paper. Then the technical route of building the required urban aerial visual navigation simulation platform based on Airsim is determined, and the construction method of the simulation platform is further introduced in detail and the simulation scene construction results are given.

Unmanned Aerial Vehicle; Simulation Platform; Urban Air Mobility; Visual Navigation

V249

A

1674-7976-(2022)-01-029-05

2021-12-16。

曾龍（1996.01—），甘肅武威人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘锌罩薪煌o人機(jī)視覺導(dǎo)航研究。