airsim系列(五) - 控制四旋翼的飞行(core api)

快乐人L

本节继续介绍 AirSim 的 core api，如何控制四旋翼的飞行。
本文的主要内容有：让四旋翼飞一个正方形、详细介绍四旋翼位置控制API、AirSim坐标系定义。
1. 四旋翼飞正方形代码

1.1 完整代码

"""
square flight
"""
import airsim
import time

# connect to the AirSim simulator
client = airsim.MultirotorClient()

client.enableApiControl(True)   # get control
client.armDisarm(True)          # unlock
client.takeoffAsync().join()    # takeoff

# square flight
client.moveoZAsync(-3, 1).join()               # 上升到3m高度
client.moveToPositionAsync(5, 0, -3, 1).join()  # 飞到（5,0）点坐标
client.moveToPositionAsync(5, 5, -3, 1).join()  # 飞到（5,5）点坐标
client.moveToPositionAsync(0, 5, -3, 1).join()  # 飞到（0,5）点坐标
client.moveToPositionAsync(0, 0, -3, 1).join()  # 回到（0,0）点坐标

client.landAsync().join()       # land
client.armDisarm(False)         # lock
client.enableApiControl(False)  # release control
此代码能够实现的效果是：

第一阶段：起飞第二阶段：上升到3米高度第三阶段：飞正方形

向前飞 5 米向右飞 5 米向后飞 5 米向左飞 5 米，回到起飞点

第四阶段：降落

1.2 飞行效果



注意，如果你的仿真在刚开始的时候，四旋翼并不是正对前方（下图是正对前方的效果）。
说明 player start 的位置是有角度的，将其改成 0 即可。
1.3 代码讲解

client = airsim.MultirotorClient()  # connect to the AirSim simulator

client.enableApiControl(True)   # get control
client.enableApiControl(False)  # release control

client.armDisarm(True)          # unlock
client.armDisarm(False)         # lock

client.takeoffAsync().join()    # takeoff
client.landAsync().join()       # land以上是之前学习过的，如果有不懂的可以看上一篇文章。


client.moveToZAsync(-3, 1).join()   # 高度控制moveToZAsync(z, velocity) 是高度控制 API，第一个参数是高度，第二个参数是速度。实现的效果是以 1m/s 的速度飞到 3 米高。.join() 后缀的意思是程序在这里等待直到任务完成，也就是四旋翼达到 3 米的高度。如果不加.join()后缀，则不用等待任务是否完成，函数直接返回，程序继续往下执行。


client.moveToPositionAsync(5, 0, -3, 1).join()  # 飞到（5,0）点坐标
client.moveToPositionAsync(5, 5, -3, 1).join()  # 飞到（5,5）点坐标
client.moveToPositionAsync(0, 5, -3, 1).join()  # 飞到（0,5）点坐标
client.moveToPositionAsync(0, 0, -3, 1).join()  # 回到（0,0）点坐标moveToPositionAsync(x, y, z, velocity) 是水平位置控制 API，x,y,z是全局坐标位置，velocity是速度。实现的效果是以 1m/s 的速度飞到 (5, 0) 点，3m 高的位置。.join() 后缀的意思是程序在这里等待直到任务完成，也就是四旋翼到达目标位置点，同时到达设置的高度。如果不加 .join() 后缀，则不用等待任务是否完成，函数直接返回，程序继续往下执行。


2. 四旋翼飞行控制 API 讲解

2.1 四旋翼底层飞控通道简介

关于四旋翼的非线性建模和底层控制器设计，在后面的文章中详细讲解，目前先简单介绍一下四旋翼的底层飞控可以控制什么量。当四旋翼低速飞行时，其底层飞控可以解耦为3个通道：

水平通道高度通道偏航通道

这3个通道可以分别控制，可以理解为通道之间相互不会影响。水平通道可以控制四旋翼的水平位置、水平速度、水平姿态角；高度通道可以控制垂直高度、垂直速度、垂直加速度；偏航通道可以控制偏航角度、偏航角速度、偏航角加速度。
本文例子程序中的 x,y 是水平通道的指令，控制四旋翼水平方向的飞行；z 是高度通道指令，控制四旋翼的高度。本文例子程序中没有偏航通道指令，默认的偏航是 0，也就是四旋翼自身不会水平旋转，其朝向始终朝向前方。


2.2 水平位置控制函数

函数定义：
def moveToPositionAsync(
         self,
         x,          # 位置坐标（北东地坐标系）
         y,
         z,
         velocity,   # 速度
         timeout_sec=3e38,
         drivetrain=DrivetrainType.MaxDegreeOfFreedom,
         yaw_mode=YawMode(),
         lookahead=-1,
         adaptive_lookahead=1,
         vehicle_name="",
     )输入参数包括：

x,y,z：位置坐标（全局坐标系 - 北东地）velocity: 飞行速度（m/s）timeout_sec: 如果没有响应，超时时间drivetrain，yaw_mode: 设置飞行朝向模式和yaw角控制模式lookahead,  adaptive_lookahead: 设置路径飞行的时候的yaw角控制模式vehicle_name: 控制的四旋翼名字

x, y, z, velocity 这四个参数是必须要设置的量，指示四旋翼以多大的速度飞往哪个坐标点。后面的几个参数都有其默认值，不用设置也可以。
lookahead 和 adaptive_lookahead 这两个参数是设置当四旋翼飞轨迹的时候的朝向，目前还用不到。
vehicle_name 是将指令发送给哪个四旋翼，当做多个四旋翼协同飞行控制的时候，这个参数就派上用场了，后面会有多机协同编队的教程。
drivetrain 和 yaw_mode 这两个参数的组合可以设置四旋翼的偏航角控制模式，下面详细介绍。


2.3 偏航角控制模式详解

drivetrain 参数可以设置为两个量：

airsim.DrivetrainType.ForwardOnly： 始终朝向速度方向airsim.DrivetrainType.MaxDegreeOfFreedom：手动设置yaw角度

yaw_mode 必须设置为 YawMode() 类型的变量，这个结构体类型包含两个属性：

YawMode().is_rate：True - 设置角速度；False - 设置角度YawMode().yaw_or_rate：可以是任意浮点数

下面分几种情况讨论：
情况1 (不允许)：
drivetrain = airsim.DrivetrainType.ForwardOnly
yaw_mode = airsim.YawMode(True, 0)
client.moveToPositionAsync(x, y, z, velocity, drivetrain=drivetrain, yaw_mode=yaw_mode).join()当drivetrain = airsim.DrivetrainType.ForwardOnly 时，四旋翼始终朝向其飞行的方向，这时 yaw_mode 不允许设置为 YawMode().is_rate = True。因为前面的参数要求四旋翼朝向运动方向，而 yaw_mode 要求四旋翼以一定的角速度旋转，这是矛盾的。
情况2：
drivetrain = airsim.DrivetrainType.ForwardOnly
yaw_mode = airsim.YawMode(False, 90)
client.moveToPositionAsync(x, y, z, velocity, drivetrain=drivetrain, yaw_mode=yaw_mode).join()这种情况下，四旋翼的朝向始终与前进方向相差90度，也就是四旋翼始终向左侧方向运动。例如：当四旋翼在绕着一个圆心转圈时，其朝向始终指向圆心（这种飞行状态的代码在下一篇文章中给出）。这里的90度可以任意设置。
情况3：
drivetrain = airsim.DrivetrainType.MaxDegreeOfFreedom
yaw_mode = airsim.YawMode(False, 0)
client.moveToPositionAsync(x, y, z, velocity, drivetrain=drivetrain, yaw_mode=yaw_mode).join()这种情况下，不管速度方向是什么，四旋翼的yaw角始终等于0， 也就是其朝向始终指向正北方向。如果是90度，则始终指向正东方向，而-90度，则始终指向正西方向。
情况4：
drivetrain = airsim.DrivetrainType.MaxDegreeOfFreedom
yaw_mode = airsim.YawMode(True, 10)
client.moveToPositionAsync(x, y, z, velocity, drivetrain=drivetrain, yaw_mode=yaw_mode).join()这种情况下，四旋翼不管速度方向是什么，yaw角以10度/秒的速度旋转。


下面总结一下这两个参数的设置对效果的影响：

ForwardOnly	MaxDegreeOfFreedom
is_rate=True	不允许	yaw角以yaw_or_rate度/秒旋转
is_rate=False	yaw角相对于速度方向偏差yaw_or_rate度	yaw角相对正北方向偏差yaw_or_rate度

为什么0度是正北方向呢，这就涉及到坐标系的定义了，下面先简单介绍一下坐标系的定义。
3. AirSim 坐标系定义总结

Unreal 引擎中的坐标系与 AirSim 定义的坐标系是不同的，甚至长度单位都不同。Unreal的长度单位是厘米，而AirSim的长度单位是米。不过不用担心，AirSim已经非常好的处理了这个问题，你不用管Unreal的坐标系是什么，只需要按照AirSim的坐标系设置即可，AirSim会帮你自动转换的。


本文先说明两个坐标系的定义： 全局坐标系、机体坐标系。
全局坐标系是固连到大地的，x,y,z三个坐标轴的指向分别是北，东，地，也就是朝北是x轴的正方向，朝南就是x轴的负方向。全局坐标系的原点位置是大地的某一点（可以在settings文件中设置）。
机体坐标系是固连到四旋翼机身的，x,y,z三个坐标轴的指向分别是前，右，下，也就是飞机的前方是x轴的正方向，飞机后方是x轴的负方向。机体坐标系的原点位置是机体的重心位置。
如果按照1.2节的设置，将 playerStart的旋转都设为0，那么仿真刚开始的时候，四旋翼的机体坐标系与全局坐标系是重合的。