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無人機整機
無人機配件
無人機服務(wù)
設(shè)備與工具借助現(xiàn)代人工智能算法，多旋翼無人機可以成為智能代理，在未知環(huán)境中導(dǎo)航。給定目的地，無人機可以控制環(huán)境，重建環(huán)境地圖并動態(tài)規(guī)劃到目的地的軌跡。這項工作的目的是構(gòu)建一個端到端的網(wǎng)絡(luò)用于研究和教育目的的模擬環(huán)境。這里，端到端指的是在一個模擬器中驗證所有感知、反應(yīng)和控制算法的能力（圖1a）。
(
(a)模擬器的系統(tǒng)概述
(b) 無人機在模擬器中，右側(cè)圖像是來自車載攝像頭的實時彩色和深度圖像
(c) 在未知環(huán)境中單擊并飛行導(dǎo)航（藍(lán)色路徑為已行駛路徑，紅色路徑為從當(dāng)前位置到目的地的全局計劃路徑）
基于流行的ROS-Gazebo-PX4工具鏈，我們進行了幾項改進，以滿足無人機v-SLAM和導(dǎo)航模擬的要求（圖1b）。這些改進包括：（a）構(gòu)建仿真空間，（b）定制無人機模型，（c）添加立體攝像機模型，以及（d）配置基于視覺的控制設(shè)置。在本文的最后，我們演示了一個端到端的無人機導(dǎo)航模擬（圖1c）。
概述
在機器人世界中，機器人操作系統(tǒng)（ROS）無疑是最方便的平臺，它提供了強大的開發(fā)工具和軟件包，從驅(qū)動程序到最先進的算法。此外，許多導(dǎo)航套件都有ROS版本包，集成起來非常方便。此外，開源機器人模擬器Gazebo是ROS中使用最廣泛的模擬器。我們選擇了廣泛使用的開源無人機自動駕駛儀堆棧PX4。它支持軟件在環(huán)（SITL）仿真。我們的仿真平臺基于ROS-GAGEBO-PX4工具鏈。
圖2 仿真框架
如圖2所示，上部是SITL模擬器，底部是地圖和導(dǎo)航系統(tǒng)。所有組件通過不同的ROS主題進行協(xié)調(diào)。尤其是導(dǎo)航系統(tǒng)和PX4之間的通信是通過MAVROS實現(xiàn)的。
機載傳感器
在3DR-IRIS模型的基礎(chǔ)上進行了改進，我們添加了一個深度攝像頭，并定制了IMU傳感器，以支持視覺慣性姿態(tài)估計器。這里我們介紹相機和IMU模型。機身和IMU的坐標(biāo)定義如圖3所示。
圖3 修改后的3DR-IRIS模型以及視覺傳感器和IMU的安裝幾何結(jié)構(gòu)（參考框架中的X-Y-Z軸用紅色、綠色和藍(lán)色表示）
模擬空間設(shè)置
首先，我們在一個20×20米的空空間中添加了障礙物，比如墻壁和盒子。然后，為了滿足v-SLAM模擬的要求，我們?yōu)樗羞@些項目和地平面提供了墻紙，墻紙包含豐富的視覺特征，如圖4所示。
圖4 有障礙物的20×20米模擬空間（墻紙包含豐富的視覺功能以支持視覺跟蹤）
定位
我們整合了FLVIS，一種由我們團隊開發(fā)的立體視覺慣性姿態(tài)估計器，作為定位套件（圖5）。與其他單目v-SLAM方法相比，立體視覺慣性姿態(tài)估計器具有魯棒性、準(zhǔn)確性和尺度一致性等優(yōu)點。
圖5 FLVIS在模擬中，圖像中的標(biāo)記指的是地標(biāo)，不同的顏色指的是地標(biāo)和相機之間的距離
地圖重建
如圖6所示，模擬器中集成了一個全局本地映射工具包“glmapping”。該地圖工具包是一個3D占用像素地圖，專為MAV或移動機器人導(dǎo)航應(yīng)用而設(shè)計。
圖6 Rviz中全球/本地/ESFDs地圖的可視化。在全球地圖中，顏色（藍(lán)紫色）表示障礙物的高度；ESFDs地圖的顏色（紅黃綠）表示有符號的距離值；高亮顯示的白色球體指的是本地地圖
路徑規(guī)劃
我們集成了fuxi Planner作為我們的路徑規(guī)劃工具包。全局規(guī)劃器處理二維全局柵格地圖，以找到最短的二維路徑，并為本地規(guī)劃器輸出本地目標(biāo)。本地規(guī)劃器直接在點云上工作避免與障礙物的潛在碰撞，并為局部目標(biāo)規(guī)劃一條運動學(xué)上可行的軌跡。
我們控制無人機探索20米×20米的未知環(huán)境。這次探索任務(wù)耗時7分24秒，無人機在模擬世界中飛行了82米。然后評估定位和繪圖工具包的性能。從圖7中可以看出，地面真值路徑和定位工具包中的估計路徑之間非常一致。我們使用Michael Grupp提供的工具來評估定位工具包的準(zhǔn)確性。以均方根誤差（RMSE）形式表示的平移漂移的絕對軌跡誤差（ATE）為0.3m。
圖7 比較地面真實情況和定位工具包中的估計姿勢
我們捕獲模擬世界的圖像，并從不同的視圖重建地圖。圖8和圖9顯示了它們與地圖細(xì)節(jié)之間的良好一致性。地圖的像素大小為0.2×0.2×0.2米。
圖8 模擬世界的自頂向下視圖（左）和映射工具包生成的投影二維占用柵格地圖（右）
圖9 模擬世界的斜視圖（左）和映射工具包重建的地圖（右）
我們進一步將路徑規(guī)劃工具包集成到模擬中，只在地圖上給無人機一個想要的目的地。然后，無人機將規(guī)劃路徑，避開障礙物，并自動飛往目的地。如圖10所示，任務(wù)期間設(shè)置了六個航路點。無人機監(jiān)控環(huán)境，規(guī)劃一條路徑，以完全自動地按順序訪問這些航路點。飛行路線與最近的障礙物保持安全距離，以避免碰撞。
圖10 點擊并飛行導(dǎo)航（藍(lán)色路徑是行進路徑，圖像中的白色標(biāo)記是給定的路徑點）
飛行結(jié)果表明，該模擬器能夠提供可靠的數(shù)據(jù)流，并為自主功能開發(fā)提供了多功能接口。我們提供了所有供公眾使用的套件，以促進基于該框架的自主無人機系統(tǒng)的進一步研究和開發(fā)。
源自：arXiv:2012.00298v1 [cs.RO] 1 Dec 2020
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