關(guān)鍵字：AirSim、虛幻引擎、無人機(jī)仿真、深度學(xué)習(xí)

一、前言

四旋翼無人機(jī)自發(fā)明以來已經(jīng)有了非常長遠(yuǎn)的發(fā)展，現(xiàn)階段對(duì)四旋翼無人機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)有了很多較深入的研究，無人機(jī)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(shí)的物理環(huán)境，同時(shí)也能夠自主搭建環(huán)境；鳳凰模擬器能夠模擬遙控器手動(dòng)飛行，對(duì)于飛手的訓(xùn)練有非常大的幫助。

現(xiàn)如今機(jī)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(shí)背景環(huán)境也不夠豐富，并不能充分驗(yàn)證計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)算法。AirSim 就是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生的，它將四旋翼的動(dòng)力學(xué)模型與游戲引擎（虛幻引擎 Unreal）相結(jié)合，借助游戲引擎強(qiáng)大的視覺渲染能力和豐富的場(chǎng)景，彌補(bǔ)了這一缺陷。

二、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(yīng)用于游戲開發(fā)、建筑設(shè)計(jì)與渲染、汽車展示、廣播與實(shí)況活動(dòng)、影視渲染、訓(xùn)練與模擬等各個(gè)領(lǐng)域中。 虛幻引擎同時(shí)還具備編輯器功能，具有照片級(jí)逼真的視覺渲染水平、支持動(dòng)態(tài)物理模擬的效果，能夠制作出栩栩如生的動(dòng)畫，甚至可以制作電影大片級(jí)的場(chǎng)面。其豐富而強(qiáng)大的數(shù)據(jù)接口，能夠?yàn)楦餍懈鳂I(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(shí)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(shí) UE4 的跨平臺(tái)特性支持?Windows PC、Linux、Max OSX、iOS、安卓等平臺(tái)，甚至可以支持 VR 等虛擬現(xiàn)實(shí)的設(shè)備。

虛幻商城中有非常豐富的逼真場(chǎng)景可供選擇，甚至有復(fù)原了完整了著名城市和建筑群，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(chǎng)景都可以設(shè)置為 AirSim 無人機(jī)仿真的環(huán)境場(chǎng)景。

這些豐富的場(chǎng)景中，還包含了風(fēng)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(shí)的景觀。這些在仿真中都可以任意設(shè)置，能夠充分測(cè)試視覺算法在不同的場(chǎng)景下的效果。

三、什么是 AiriSim

AirSim 是微軟公司開發(fā)的基于游戲引擎的一個(gè)開源的跨平臺(tái)仿真器，它可以用于無人機(jī)、無人機(jī)車等機(jī)器人的物理和視覺仿真。它同時(shí)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(tái)在具備物理仿真的同時(shí)也具備了逼真的視覺仿真效果，這是其一大亮點(diǎn)，非常適用于進(jìn)行基于深度學(xué)習(xí)等視覺AI仿真驗(yàn)證。AirSim提供了很多API接口，用于讀取數(shù)據(jù)、控制飛行、控制天氣、讀取照片等，使用 API接口可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收集數(shù)據(jù)集的功能，還可以測(cè)試視覺算法。AirSim的開發(fā)者希望這個(gè)平臺(tái)能夠幫助研究人員用于深度學(xué)習(xí)、計(jì)算機(jī)視覺、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能相關(guān)的研究，適用于無人機(jī)、無人駕駛、機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用。

AirSim支持多平臺(tái)運(yùn)行，在?Windows、Linux?和?Mac系統(tǒng)中可以運(yùn)行，但是目前只有在Windows系統(tǒng)下才可以創(chuàng)建工程，而對(duì)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(fù)制到Linux系統(tǒng)下。

AirSim的官方文檔地址是：Home - AirSim (microsoft.github.io)

四、AirSim 可以做什么

4.1 手動(dòng)飛行（駕駛）

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

4.2 程序控制無人機(jī)飛行（控制算法測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)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(jī)控制等，

• 支持電機(jī)轉(zhuǎn)速控制、底層飛控的PID參數(shù)調(diào)節(jié)，滿足了從基礎(chǔ)控制到高機(jī)動(dòng)控制等不同的任務(wù)需求。

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

• AirSim 還支持同時(shí)仿真多架無人機(jī)，可以測(cè)試集群和多無人機(jī)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(jī)的飛行軌跡。

4.3 數(shù)據(jù)集自動(dòng)收集、視覺算法測(cè)試

仿真場(chǎng)景中可以知道全部的信息，使用程序控制，可以很方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)無人機(jī)位置和姿態(tài)的控制，同時(shí)也能方便地控制相機(jī)的姿態(tài)和內(nèi)參。也可以同時(shí)添加多個(gè)相機(jī)，安裝在無人機(jī)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(gè)物體的溫度。

• 自由設(shè)置相機(jī)的數(shù)量、位置、內(nèi)參等。

• 自由添加噪聲：相機(jī)畸變、運(yùn)動(dòng)模糊、圖片隨機(jī)噪聲等。

• 自由設(shè)置不同的天氣狀態(tài)：雨、雪、霧、風(fēng)速、落葉、沙塵等。

• 自由改變無人機(jī)的外觀，可以將無人機(jī)外形設(shè)置成任意型號(hào)的無人機(jī)，如 DJI Mavic。

• 可以導(dǎo)入現(xiàn)實(shí)中的環(huán)境。

• 設(shè)置時(shí)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(qiáng)度、光源位置變化，產(chǎn)生環(huán)境變化。

4.4 強(qiáng)化學(xué)習(xí)

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(jī)狀態(tài)等，加上強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的訓(xùn)練。

視頻來源：官方文檔（Reinforcement Learning - AirSim (microsoft.github.io）

4.5 多傳感器融合

AirSim 目前支持的傳感器有：相機(jī)、雙目相機(jī)、紅外相機(jī)、雷達(dá)、距離傳感器、氣壓計(jì)、IMU、GPS、磁力計(jì)。同時(shí)使用多個(gè)傳感器，可以測(cè)試多傳感器融合算法。

五、總結(jié)與展望

AirSim 是微軟公司研發(fā)的基于虛幻引擎(Unreal Engine)的仿真平臺(tái)，可以用于無人機(jī)或無人車的仿真，得益于虛幻引擎強(qiáng)大的視覺渲染能力和豐富且逼真的場(chǎng)景，AirSim中的仿真完全可以做到視覺上以假亂真的效果，非常適合無人機(jī)在視覺算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的研究。

隨著計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)和強(qiáng)化學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，AirSim這一強(qiáng)大的工具必將得到大量的應(yīng)用，并有力地推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的快速發(fā)展。

官方資料：

• AirSim 官網(wǎng)文檔（?Home - AirSim (microsoft.github.io)?）

• 虛幻引擎官方文檔（https://docs.unrealengine.com/4.27/en-US/Basics/GettingStarted/）

• 虛幻商城（https://www.unrealengine.com/marketplace/zh-CN/content-cat/assets/environments?count=20&sortBy=effectiveDate&sortDir=DESC&start=0）

• AirSim 官方源碼 - GitHub（https://github.com/Microsoft/AirSim）

本文由西湖大學(xué)智能無人系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室博士生寧子安原創(chuàng)，

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