一種新的四旋翼模擬器：Flightmare

無人機10086

2022年5月26日 14:14

摘要

最先進的四旋翼模擬器都有一個剛性和高度專業化的結構：它們要么是快速的，要么是物理上很精確的，要么很逼真的；但這次我們介紹一種新的四旋翼模擬器：Flightmare。

Fligtmare是一個模塊化和具有靈活性四旋翼模擬器，主要由兩個獨立的組件組成（統一編輯器建立的逼真的渲染引擎、四旋翼動力學模擬）。它的兩個組件是完全解耦的，并且彼此可以獨立運行。因此這種四旋翼模擬器在筆記本上渲染能夠高達230Hz的速度，而物理模擬高達200,000Hz。

此外，Fligtmare還有其他幾個理想的特性：

1、大型多模態傳感器套件，包括提取場景3D點云的接口；

2、強化學習API，可以并行模擬數百個四轉子；

3、與虛擬現實耳機集成，與模擬環境交互。

我們通過在兩種不同的機器人任務中（深度強化學習的四旋翼控制、復雜的三維環境中的無碰撞路徑規劃）驗證了Flightmare的靈活性。

一、介紹

模擬器是機器人研究人員的寶貴工具，它們能夠以一種安全和廉價的方式開發和測試算法。理想的模擬器是：

1、快速，在有限的時間內收集大量數據并計算；

2、物理精確，高保真表示真實世界的動態；

3、逼真，最大限度地減少模擬和真實傳感器的觀測之間的差異。

本質上來說，這幾項要求通常是相互沖突的。例如，模擬越現實，它就運行越慢。因此，在一個單片模擬器中要想同時實現以上要求是非常具有挑戰性的。

一種新的四旋翼模擬器：Flightmare的圖1

二、相關工作

先回顧一下現有的已被機器人技術和機器學習研究人員廣泛使用的開源模擬器：

RotorS和Hector：RotorS和Hector都是建立在Gazebo上的流行的微型飛行器(MAV)模擬器，這是一種通用的機器人模擬平臺，通常與流行的機器人操作系統(ROS)一起使用。Hector是一個開源模塊的集合，主要用于救援機器人的自動映射和導航，RotorS提供了幾種多旋翼直升機模型。

AirSim和Carla：AirSim和carla都是開源的逼真模擬器。Carla主要用于自動駕駛研究，只提供地面車輛的動力學。相反，AirSim提供了一個接口來為四旋翼配置多種模型，并支持循環硬件(HITL)以及循環軟件(飛行控制器SITL)。

除了上述的模擬器，還有更多現有的模擬器已被其他研究社區廣泛采用。例如，MuJoCo已經被強化學習社區廣泛用于基準測試比較；RaiSim（用C++編寫的機器人技術和人工智能研究的物理引擎）用于支持大規模的并行動力學模擬，然而，這兩個模擬器都不支持復雜的3D環境和逼真的圖像渲染。

此外還有Sim4CV，它是一個照片逼真的模擬器，但是也僅為計算機視覺應用程序。

三維環境：

Fligtmare的渲染引擎是由Unity構建的，這是一個流行的跨平臺游戲引擎，也是一個人工智能的通用平臺。

一種新的四旋翼模擬器：Flightmare的圖2

傳感器：

渲染引擎提供了傳感器套件的靈活配置。目前，Fligtmare可以模擬具有地面真實深度和語義分割、測距儀、以及代理和它們的周圍環境之間的碰撞檢測的RBG攝像機。特別是Fligtmare允許用戶改變相機的本質，如視場、焦距和鏡頭失真。此外，它還可以模擬相機上的物理效果，包括運動模糊、鏡頭污垢。

一種新的四旋翼模擬器：Flightmare的圖3

腳本：

Unity通過c#提供了一個豐富而靈活的腳本系統，使用戶能夠定義復雜的模擬任務，比如創建圖形效果和控制對象的物理行為。

動態建模：

Fligtmare為三個四旋翼動力學提供了一個靈活的接口：一個基于Gazebo的四旋翼動力學，真實的動力學，和一個經典的四旋翼動力學的并行實現。四旋翼被建模為一個由四個電機驅動的剛體。我們使用四旋翼動力學，已用于設計控制算法的真實四旋翼實驗：

一種新的四旋翼模擬器：Flightmare的圖4

其中PWB是位置，VWB是四旋翼在W中的線速度,D = diag(dx, dy, dz)是一個常數對角線矩陣，它定義了轉子-阻力系數，這是一個在四旋翼的速度上的線性效應。使用一個單位四元數qWB來表示四旋翼的方向和使用ωWB表示身體框架B中的身體速率，g = [0, 0, ?gz]T，gz = 9.81 m s?2是重力矢量，和Λ(ωB)是一個斜對稱矩陣。此外，c = [0, 0, c] 是質量歸一化的推力向量。單轉子推力的轉換[f1, f2, f3, f4]到質量歸一化推力c和身體力矩表示為 η。

一種新的四旋翼模擬器：Flightmare的圖5