An Open-source Hardware/Software Architecture and Supporting Simulation Environment to Perform Human FPV Flight Demonstrations for Unmanned Aerial Vehicle Autonomy

要約

主にクアッドコプターである小型のマルチローター無人航空機 (UAV) は、現在、都市エアモビリティ用の垂直離着陸機などのはるかに大型の航空機の縮小モデルとして機能するなど、航空自律性の研究で広く普及しています。
。
さまざまな研究ユースケースの中でも、一人称視点の RC 飛行実験では、人間のパイロットがそのような航空機をどのように操縦するかに関するデータを収集でき、そのデータを自律飛行エージェントの比較、対比、検証、または訓練に使用できます。
これは、特に人間と UAV の共有スペースなど、状況的に複雑で安全性が重要な環境における UAV の動作を研究する場合に、独特の有益性をもたらす可能性がありますが、低レベルの機能とともにこの機能を提供する安価でオープンソースのハードウェア/ソフトウェア プラットフォームが不足しています。
基盤となる制御ソフトウェアとデータへのアクセスは依然として制限されています。
このギャップに対処し、UAV による人間誘導自律研究への障壁を大幅に減らすために、この論文では、F450 クアッドコプター フレームをベースとした安価な社内構築のクアッドコプター プラットフォームを実装したオープンソース ソフトウェア アーキテクチャを紹介します。
このセットアップでは、2 つのカメラを使用してデュアルビュー FPV とオープンソースのフライト コントローラー Pixhawk を提供します。
Python ベースの Kivy ライブラリを使用して開発された基盤となるソフトウェア アーキテクチャにより、テレメトリ、GPS、制御入力、およびカメラ フレーム データを地上局コンピュータ上で同期して記録できます。
通常、コスト (時間) と天候の制約により、屋外での物理的な飛行実験の数は制限されるため、この論文では、Pixhawk 飛行を介してハードウェア イン ザ ループ セットアップを提供する、独自の AirSim/Unreal Engine ベースのシミュレーション環境とグラフィカル ユーザー インターフェイス (別名デジタル ツイン) についても紹介します。
コントローラ。
私たちは、一連の多様な物理的な FPV 飛行実験とデジタル ツインでの対応する飛行テストを通じて、フレームワーク全体の使いやすさと信頼性を実証します。

要約(オリジナル)

Small multi-rotor unmanned aerial vehicles (UAVs), mainly quadcopters, are nowadays ubiquitous in research on aerial autonomy, including serving as scaled-down models for much larger aircraft such as vertical-take-off-and-lift vehicles for urban air mobility. Among the various research use cases, first-person-view RC flight experiments allow for collecting data on how human pilots fly such aircraft, which could then be used to compare, contrast, validate, or train autonomous flight agents. While this could be uniquely beneficial, especially for studying UAV operation in contextually complex and safety-critical environments such as in human-UAV shared spaces, the lack of inexpensive and open-source hardware/software platforms that offer this capability along with low-level access to the underlying control software and data remains limited. To address this gap and significantly reduce barriers to human-guided autonomy research with UAVs, this paper presents an open-source software architecture implemented with an inexpensive in-house built quadcopter platform based on the F450 Quadcopter Frame. This setup uses two cameras to provide a dual-view FPV and an open-source flight controller, Pixhawk. The underlying software architecture, developed using the Python-based Kivy library, allows logging telemetry, GPS, control inputs, and camera frame data in a synchronized manner on the ground station computer. Since costs (time) and weather constraints typically limit numbers of physical outdoor flight experiments, this paper also presents a unique AirSim/Unreal Engine based simulation environment and graphical user interface aka digital twin, that provides a Hardware In The Loop setup via the Pixhawk flight controller. We demonstrate the usability and reliability of the overall framework through a set of diverse physical FPV flight experiments and corresponding flight tests in the digital twin.

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