面向无人机自主性的人类 FPV 飞行演示的开源硬件/软件架构及支持仿真环境

小型多旋翼无人机（UAVs），主要是四旋翼机，已在空中自主性研究中无处不在，常被用作更大型飞行器的缩放模型，如用于城市空中交通的垂直起降升力飞行器。其中一种研究用例是人类驾驶员飞行实验，允许收集有关人类驾驶员操作此类飞行器的数据，可用于比较、对照、验证或训练自主飞行代理。尽管这在研究 UAV 在人类-UAV 共享空间中复杂且安全关键环境下的操作方面具有独特的益处，但缺乏提供此功能并提供底层控制软件和数据访问权限的廉价且开源的硬件/软件平台仍然受限。为填补这一差距并显著降低使用无人机进行人类引导自主性研究的障碍，本文提出了一种开源软件架构，该架构实现于基于 F450 四旋翼机架构构建的廉价内部四旋翼平台。该平台使用双摄像头提供双视角 FPV，并使用开源飞控器 Pixhawk。开发使用 Python 基于 Kivy 库的底层软件架构，可在地面站计算机上同步记录遥测、GPS、控制输入和摄像头帧数据。由于成本（时间）和天气限制通常限制了大量户外物理飞行实验的数量，本文还提出了独特的 AirSim/Unreal Engine 仿真环境和图形用户界面（即数字孪生体），可通过 Pixhawk 飞控器实现硬件在环设置。我们通过一组多样化的物理 FPV 飞行实验和相应的数字孪生体飞行测试演示了整个框架的可用性和可靠性。