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無人機(jī)整機(jī)
無人機(jī)配件
無人機(jī)服務(wù)
設(shè)備與工具導(dǎo)讀
隨著無人機(jī)與無人集群的快速發(fā)展，開發(fā)者對(duì)于無人機(jī)系統(tǒng)仿真測(cè)試環(huán)境的需求也日漸顯現(xiàn)。本文整理了幾款常見的無人機(jī)仿真平臺(tái)，旨在為開發(fā)者提供一款更為易用、通用且真實(shí)可靠的平臺(tái)。
無人機(jī)與無人集群的研制應(yīng)用快速發(fā)展，無人機(jī)系統(tǒng)研制過程中試驗(yàn)成本高，空域申請(qǐng)難，測(cè)試穩(wěn)定性低及危險(xiǎn)性高等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了無人機(jī)集群算法驗(yàn)證的飛行測(cè)試工作。無人機(jī)系統(tǒng)仿真測(cè)試環(huán)境應(yīng)運(yùn)而生，研究者僅需將無人機(jī)研究工作中的實(shí)驗(yàn)和算法迭代部分放在仿真環(huán)境中，充分驗(yàn)證后再進(jìn)行實(shí)際的飛行測(cè)試，可以很大程度上降低研制的成本和風(fēng)險(xiǎn)，有效縮短研制進(jìn)程。
本文將對(duì)比幾款常見的無人機(jī)仿真平臺(tái)，旨在為開發(fā)者提供一款更為易用、通用且真實(shí)可靠的平臺(tái)，使其專注于算法研究工作，檢驗(yàn)理論成果，提升實(shí)驗(yàn)效率，大大推動(dòng)開發(fā)人員進(jìn)入領(lǐng)域研究進(jìn)程，加速教學(xué)、科研的進(jìn)度。
常見的無人機(jī)仿真平臺(tái)
01
X-Plane無人機(jī)仿真平臺(tái)
X-Plane是一款由Laminar Research開發(fā)的仿真平臺(tái)，針對(duì)包括Windows、Linux和MacOS在內(nèi)的多種操作系統(tǒng)具有特定的構(gòu)建方式。
該平臺(tái)有適用于 Android，iOS 和WebOS的移動(dòng)版本。X-Plane包含許多商用、軍用等飛機(jī)，場(chǎng)景使用地球大部分地區(qū)的真實(shí)貼圖。具有一種插件設(shè)計(jì)類型的架構(gòu)，允許用戶創(chuàng)建其他模塊，從而擴(kuò)展了模擬器的功能。X-Plane采用在Plane Maker中創(chuàng)建的幾何形狀來顯示無人機(jī)的飛行方式。使用一種工程機(jī)制將無人機(jī)分為小部分，并找出對(duì)每個(gè)部分起作用的力。該模擬器可以可視化作用在無人機(jī)上的不同作用力和無人機(jī)飛行路徑等，并且還可以確定飛行故障，其仿真平臺(tái)采用的是UDP通訊協(xié)議。
02
FlightGear開源多平臺(tái)飛行模擬器
FlightGear是一個(gè)開源的多平臺(tái)飛行模擬器，由FlightGear項(xiàng)目從1997年開始實(shí)施，并且一直在持續(xù)開發(fā)中。
該模擬器具有針對(duì)各種操作系統(tǒng)（例如 Windows，Mac，OS，Solaris）以及各種Linux發(fā)行版（例如Ubuntu和Debian）的特定構(gòu)建。FlightGear代碼是根據(jù)GNU通用公共許可證發(fā)行的。必須通過外部3D建模應(yīng)用程序創(chuàng)建UAV模型，并使用XML文件說明各種UAV功能。由于為多飛機(jī)環(huán)境開發(fā)了多人協(xié)議，因此FlightGear可以在本地網(wǎng)絡(luò)上使用。此外，在多種情況下針對(duì)多種模式初始化的不同的多種無人機(jī)可以在周圍環(huán)境中進(jìn)行協(xié)調(diào)和通信，此功能可用于空中交通管制或編隊(duì)飛行模擬。
03
Gazebo 機(jī)器人仿真平臺(tái)
Gazebo 機(jī)器人仿真平臺(tái)是南加州大學(xué) Andrew Howard 博士和他的學(xué)生Nate Koenig 開發(fā)的一款滿足各種條件下在室外環(huán)境中模擬機(jī)器人的平臺(tái)。
Willow Garage 的工程師 John Hsu 將ROS和PR2集成整合進(jìn)了 Gazebo 中，使 Gazebo 成為 ROS環(huán)境中主要工具之一。直到2012年，Gazebo從 williow Garage 中脫離并有開源機(jī)器人基金會(huì)（Open Source Robotics Foundation （OSRF））進(jìn)行管理與開發(fā)。目前 Gazebo 是智能機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的仿真平臺(tái)之一，具有多樣的物理引擎、傳感器模型和 3D場(chǎng)景等模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)也具有模擬一般機(jī)器人連接部件和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，如復(fù)雜的機(jī)械手臂或雙足機(jī)器人。雖然Gazebo 功能豐富，但場(chǎng)景搭建與渲染部分已落后于當(dāng)代發(fā)展，很難創(chuàng)建無人機(jī)仿真所需的與現(xiàn)實(shí)視覺環(huán)境相似的大型場(chǎng)景。
04
JMavSim四旋翼無人機(jī)仿真平臺(tái)
JMavSim是一個(gè)用于與PX4固件驅(qū)動(dòng)的四旋翼無人機(jī)仿真平臺(tái)。具有四旋翼無人機(jī)通信 MAVlink 接口，并與PX4 固件和 ROS 平臺(tái)集成在一起，其圖像界面由 Java3d設(shè)計(jì)而成，使用UDP通信協(xié)議進(jìn)行通信。更側(cè)重于飛控相關(guān)算法的測(cè)試與驗(yàn)證。但是沒有辦法在仿真環(huán)境中添加傳感器和檢測(cè)障礙物，也不能模擬無人機(jī)物理特性。
05
AirSim無人機(jī)駕駛自動(dòng)控制仿真平臺(tái)
AirSim是由微軟（Microsoft）于2017年開發(fā)的一個(gè)基于虛幻引擎Unreal Engine 4的無人機(jī)駕駛自動(dòng)控制仿真平臺(tái)。
具有高還原度的物理引擎和逼真的視覺場(chǎng)景兩大特點(diǎn)，其物理引擎可支持主流無人機(jī)協(xié)議（如 MavLink）的高頻實(shí)時(shí)硬件在環(huán)（HITL）的仿真。同時(shí)支持無人機(jī)類型、飛控和通信協(xié)議的拓展性更新與修改，適用于 pixhawk 飛控及PX4 固件，同時(shí)具備普通相機(jī)，立體相機(jī)，激光雷達(dá)，全球定位系統(tǒng)，IMU，磁力計(jì)等傳感器。不僅可以使用C++和python代碼來控制無人機(jī)，還可以使用PX4的飛行器遙控器。
06
飛思無人系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺(tái)
飛思無人系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺(tái)是在北航可靠飛行控制組提出的RflySim仿真框架的基礎(chǔ)上開發(fā)的一體化無人機(jī)系統(tǒng)仿真開發(fā)平臺(tái)，專為無人平臺(tái)控制系統(tǒng)開發(fā)、大規(guī)模集群協(xié)同、人工智能視覺等前沿研究領(lǐng)域研發(fā)的一套高可信度的無人控制系統(tǒng)開發(fā)、測(cè)試與評(píng)估平臺(tái)。
相對(duì)于其他平臺(tái)，RflySim主要有以下特點(diǎn)：
①無人機(jī)物理特性仿真還原度高。其開發(fā)者均為無人機(jī)研究團(tuán)隊(duì)，具有豐富的無人機(jī)領(lǐng)域研究經(jīng)驗(yàn)；②易用性。一鍵安裝、一鍵代碼生成、一鍵固件部署、一鍵軟硬件在環(huán)仿真和快速實(shí)飛，將MBD理念應(yīng)用于整個(gè)開發(fā)流程，開發(fā)者只需具備基礎(chǔ)的Simulink（或Python）知識(shí)，即可快速將自己的算法經(jīng)過層層驗(yàn)證并應(yīng)用于真機(jī)上，使其更專注于算法的開發(fā)與測(cè)試；③完全分布式構(gòu)架。所有應(yīng)用軟件都可以在同一臺(tái)或多臺(tái)電腦上多開，并且各個(gè)應(yīng)用之間可以通過UDP網(wǎng)絡(luò)相互收發(fā)消息，這種分布式的構(gòu)架非常適合于大規(guī)模帶視覺的無人機(jī)集群仿真測(cè)試；④支持多種機(jī)型仿真。支持小車、固定翼、垂直起降飛行器（VTOL）等多種機(jī)型。用戶可以在Simulink中根據(jù)規(guī)范的接口搭建機(jī)架模型，然后自動(dòng)生成DLL文件用于HIL仿真。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能被拓展到任意無人系統(tǒng)中；⑤支持無人機(jī)集群仿真。在同一局域網(wǎng)下，開發(fā)者可以使用CopterSim連接多個(gè)Pixhawk進(jìn)行硬件或軟件在環(huán)仿真。同時(shí)，還可以使用Simulink或者C++程序控制飛行器，控制指令會(huì)由Mavlink協(xié)議經(jīng)過串口（數(shù)傳）或者網(wǎng)絡(luò)（WIFI）發(fā)送給Pixhawk；⑥提供高逼真的3D視景。提供源碼和教程幫助開發(fā)者在虛幻4 （Unreal Engine 4 ，UE4）中搭建高度逼真的3D場(chǎng)景，用于室內(nèi)外環(huán)境仿真或者基于視覺算法的開發(fā)；場(chǎng)景支持物理碰撞引擎，全球地形和地圖，OSGB+Cesium傾斜攝影視景地圖導(dǎo)入，自定義GPS坐標(biāo)，任意多窗口切換觀察，RGB、深度、灰度、IMU、激光雷達(dá)等傳感器數(shù)據(jù)輸出，支持共享內(nèi)存或者UDP圖片直發(fā)指定IP地址，可用于機(jī)載計(jì)算機(jī)硬件在環(huán)SLAM仿真。⑦支持基于視覺的控制。基于UE4的三維視景平臺(tái)還支持視角切換功能，可以方便地獲取到多個(gè)視角的圖像數(shù)據(jù)。還支持通過共享內(nèi)存的方式在Simulink、Python、C/C++等代碼平臺(tái)中實(shí)時(shí)獲取到圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，處理得到的視覺數(shù)據(jù)可以通過UDP再返回給CopterSim或者Simulink控制，形成帶有視覺的硬件在環(huán)仿真閉環(huán)。⑧支持多種故障注入。可實(shí)現(xiàn)的故障類型包括模型故障、通信故障和環(huán)境故障等。
效果展示：
軟件在環(huán)仿真
自動(dòng)代碼生成
硬件在環(huán)仿真
帶安全防護(hù)的真機(jī)實(shí)驗(yàn)
一鍵連接PX4的集群軟件在環(huán)仿真
一鍵安裝與部屬
基于UE4的室內(nèi)硬件在環(huán)仿真
無人車的室外硬件在環(huán)仿真場(chǎng)景
集群控制和硬件在環(huán)仿真
基于視覺的一鍵穿環(huán)控制例程
電機(jī)失效故障硬件在環(huán)仿真
Simulink控制集群飛機(jī)室內(nèi)飛行實(shí)驗(yàn)
各平臺(tái)特性對(duì)比
2025-09-17 10:55
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