在 AirSim 中模拟无人机对客机巡检

众所周知，航空飞行的安全极其重要，所以检修人员需要定期对客机进行检修。因为体积问题，人工操作很难看到飞机的上半部分，所以每次检修都会动用大量的人力物力去一点点看。从 17 年开始，空客就率先开始利用无人机对载人的客机进行检修，这样更加方便快速。无人机可以拍摄大量的客机照片，检修人员只要在电脑上就可以分析飞机的状态。
传统无人机也有自己的问题：一是无人机还是需要人去操作的，而人工操作无法保证安全性。毕竟手一抖无人机可能就撞到飞机了，很多无人机飞手是不愿意飞这个场景的。而客机对检修的要求又非常严格，每次最好都可以在同一个位置拍照。但人工操作无法保证这种精度。其次是传统无人机都极其依赖 GPS 做定位，而机库里是没有 GPS 的。所以无人机也很容易「炸机」。这两个问题导致了无人机巡检真飞机迟迟不能普及。
这就是为什么我们希望利用 GAAS 为有志于做自主飞行无人机的朋友提供无人机巡检真飞机的案例，让无人机在完全不需要 GPS 和飞手的操作下，进行飞机的巡检。
什么是 AirSim？
​AirSim 是一个由微软开发的开源的仿真平台，基于 Unreal 引擎。相对于 Gazebo 来说，AirSim 的仿真环境更加真实。AirSim 支持基于PX4的 Hardware-In-The-Loop (HITL) 和 Software-In-The-Loop (SITL)。
像所有 Unreal 项目一样，AirSim 的项目也可以被打包出来，但是我不建议你在 Ubuntu 环境下这么做，因为在 Ubuntu 环境下 AirSim 使用 PX4 SITL 可能会出现崩溃的情况。我们也正在解决这个问题。
另外，Unreal 需要的硬盘空间很大（大约 69 GB），需要的硬件配置也很高，所以如果你不想在自己的电脑上安装一个如此巨大的软件，也可以使用 Gazebo ，可以省却很多适配的烦恼。
安装 Unreal 和 AirSim
Unreal 和 AirSim 都支持多个平台，你可以使用 BashOnWindows。但是由于 PX4 只支持 Linux 平台，为了方便使用 GAAS，我们还是使用 Linux 版 Unreal。 
1.注册 Epic Games 账号，并关联自己的 GitHub 账号。
2.编译 Unreal 4.22 ，可能会需要约 69 GB 的硬盘空间。
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git clone -b 4.22 https://github.com/EpicGames/UnrealEngine.git
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cd UnrealEngine
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./Setup.sh
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./GenerateProjectFiles.sh
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make
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注意：AirSim 官方支持 Unreal 4.18，但是在本示例中所用到的 Unreal 布景只支持 Unreal 4.22 版本，而经过测试 AirSim 在 Unreal 4.22 版本下也可以使用，故我们选择了 Unreal 4.22 版本。
3.Clone 并编译 AirSim：
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git clone https://github.com/Microsoft/AirSim.git
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cd AirSim
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./setup.sh
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./build.sh
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4.在 Linux 下进入 Unreal 的目录，并运行 UnrealEngine/Engine/Binaries/Linux/UE4Editor。
5.此时进入了选择项目的界面，在 AirSim 目录下的 Unreal/Environments 目录中，有一个名字叫 Blocks 预设的项目，但是在打开该项目之前请先把 AirSim/Unreal/Enviroments/Plugins 复制到 AirSim/Unreal/Enviroments/Blocks 中，然后在 Unreal 中打开项目。
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How to launch PX4 SITL
在 AirSim 中模拟 PX4 控制无人机之前，我们应该首先安装并运行 PX4 SITL 仿真，通过此仿真，你可以使用 PX4 作为飞控来控制 AirSim 中的无人机。
1.首先确保你已经成功安装了 PX4 的所需依赖。参考 GAAS 的教程。
2.获取 PX4 Firmware。注意：AirSim 需要 Firmware v1.8.2 版本。
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mkdir -p PX4
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cd PX4
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git clone https://github.com/PX4/Firmware.git
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cd Firmware
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git checkout v1.8.2
Copied!
3.编译并运行 SITL 模式：
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make posix_sitl_default  none_iris
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你可以编辑 (Firmware_Path)/posix-configs/SITL/init/ekf2/iris 文件来设置飞机参数
4.修改 AirSim 设置，在 Linux 下，设置文件路径为 ~/Documents/AirSim/settings.json。
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{
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 "SettingsVersion": 1.2,
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 "SimMode": "Multirotor",
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 "Vehicles": {
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     "PX4": {
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         "VehicleType": "PX4Multirotor",
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         "UseSerial": false
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     }
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 }
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}
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5.在 Unreal 中点击 Play 按键，我们就打开了模拟器，你现在应该可以在地上看见一个无人机了。
       
 
按 F1 键可以查看快捷键，你也可以打开 FPS 显示随时查看 FPS。
6. 下载 QGroundControl，并修改监听端口。
  
 
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7. 这时便可以通过 QGC 来简单控制无人机了。
使用 GAAS 控制无人机
1.GAAS 通过 MAVROS 与 PX4 通信，所以如果想通过 GAAS 控制无人机，我们需要先启动 MAVROS 。安装 MAVROS 请参考 GAAS 教程1 。推荐使用第二种方法安装 MAVROS。
2.PX4 通过 UDP 通信，所以我们需要修改以下 MAVROS 的 fcu_url 参数，首先新建一个 launch 文件。
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cd (MAVROS_PATH)/mavros/launch
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cp px4.launch px4_airsim.launch
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3.修改第 5 行 <arg name="fcu_url" default="/dev/ttyACM0:57600" /> 的默认参数为<arg name="fcu_url" default="udp://:[email protected]:14557" />。
4.运行 MAVROS：
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roslaunch mavros px4_airsim.launch
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这时我们使用 GAAS教程一 的 demo 便可以控制无人机。
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cd (GAAS_PATH)/demo/tutorial_1/1_px4_mavros_offboard_controller
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python px4_mavros_run.py
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在 AirSim 中模拟无人机对客机的巡检
以往客机在机库中的巡检需要动用大量的人力物力，因为客机非常大，而且巡检要求非常严格，对于客机的各个部位都有拍摄需求。无人机可以帮助人们更方便的对客机进行巡检，但是巡检一般要在机库中进行，所以我们无法使用 GPS 传感器。
1.首先，搭建机库布景，推荐从 Epic Games 上直接购买资源（购买和下载必须在 Windows 上的 Epic Games 客户端进行）。然后对布景进行相应的修改，可以参考 Unreal 的文档。由于版权问题，我们不能直接放出 Project 文件，如果你在搭建 Unreal Project 的时候遇到了问题，可以随时提 issue 或者在微信群里提问。 
 
2.关闭 GPS 。首先，先将 PX4 SITL iris 中的 EKF2_AID_MASK 参数改为 vision position fusion，对应值为 8。编辑 (Firmware_Path)/posix-configs/SITL/init/ekf2/iris 文件，将其中的 EKF2_AID_MASK 值改为 8，默认为 1 。                     
 
3.设置 AirSim 无人机参数，加入双目摄像头。我们在 GAAS 中提供了飞机的配置文件。
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git pull origin master
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cp (GAAS_PATH)/simulator/AirSim/settings.json ~/Documents/AirSim/
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在这个配置文件中，GPS 的 Enable 选项已经被设置成 false，并且加入了双目摄像头。
4.在完成前期的设置之后，开启 PX4 SITL 并且启动 MAVROS 之后，我们可以点击 Play 来运行模拟器了，但是当前由于没有 GPS 你是不能起飞的，接下来我们需要开启 SLAM 。
5.我们在配置文件中设置了一组双目摄像头，基线为 12 cm 与 GAAS SLAM 默认设置相同，在运行 SLAM 之前，我们需要将模拟器中的摄像头发布到 ROS 中。首先安装 AirSim 的 Python 库，然后在 GAAS 的 simulator/airsim 目录中，运行 drone_image_ros.py 。
bash
sudo pip install airSim                                                     cd (GAAS_PATH)/simulator/airsim python drone_image_ros.py
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6.最后，参考 GAAS 教程三，运行 SLAM 后，你就可以使用 AirSim 来模拟飞机的巡检了。
     
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注意：当你使用 SLAM 时，请进入 Unreal 的 Edit >> Editor Preference 中把 Use Less CPU when in Background 选项关闭。不然的话当 Unreal 处在后台运行的时候，会影响帧率。