飞行控制

​ AirSim封装了一些API接口，使用这些API接口，可以用程序跟仿真进行交互。例如可以使用API来获取图片、无人机状态、控制无人机/车辆的运动等。

​ AirSim的 API非常丰富，有很多可以调用的功能，可以将这些功能分成以下几类：

• 图像类API ：获取各种类型的图像、控制云台等；
• 控制仿真运行 ：可以控制仿真暂停或继续；
• 碰撞API ：获取碰撞信息，包括碰撞次数、位置、表面信息、渗透深度等；
• 环境时间API ：主要是控制太阳在天空中的位置；
• 环境天气API ：控制环境中的天气：下雨、雪、灰尘、雾气、道路湿滑程度等；
• 环境风API ：控制环境中的风速和风向等；
• 雷达API ：添加和控制环境中的雷达传感器；
• 无人机或车辆的API ：控制运动、获取状态等，

python环境

​ 需要安装msgpack-rpc-python与airsim两个库，python版本为3.8。

AirSim坐标系

​ 虚幻引擎中的坐标系与 AirSim 定义的坐标系是不同的，但AirSim已经非常好的处理了这个问题，只需要按照AirSim的坐标系设置即可，AirSim会自动转换。

​ 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。

起飞降落

控制无人机起飞降落的代码如下：

import airsim

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

# get control
client.enableApiControl(True)

# unlock
client.armDisarm(True)

# takeoff and land
client.takeoffAsync().join()
client.landAsync().join()

# lock
client.armDisarm(False)

# release control
client.enableApiControl(False)

下面解释这段代码：

import airsim

使用python做AirSim仿真，必须导入airsim包

client = airsim.MultirotorClient()

与AirSim建立连接，并且返回句柄（client），后面的每次操作需要使用这个句柄

如果是汽车仿真，代码是：client = airsim.CarClient()

client.confirmConnection()

检查通信是否建立成功，并且会在命令行中打印连接情况,如果连接正常会在命令行中打印如下：

Connected!
Client Ver:1 (Min Req: 1), Server Ver:1 (Min Req: 1)

client.enableApiControl(True)

因为安全问题，API控制默认是不开启的，遥控器有全部的控制权限。所以必须要在程序中使用这个函数来获取控制权

遥控器的操作会抢夺API的控制权，同时让API获取的控制权失效。使用isApiControlEnabled可以检查API是否具有控制权

client.armDisarm(True)

使用这个函数可以让无人机的旋翼启动和停止旋转

client.takeoffAsync().join()	# 起飞
client.landAsync().join()		# 降落

​ takeoffAsync开始起飞过程，而join()方法等待起飞过程完成。

​ 很多无人机或者汽车控制的函数都有Async作为后缀，这些函数在执行的时候会立即返回。这样的话，虽然任务还没有执行完，但是程序可以继续执行下去，而不用等待这个函数的任务在仿真中有没有执行完。如果想让程序在这里等待任务执行完，则只需要在后面加上.join()。本例就是让程序在这里等待无人机起飞任务完成，然后再执行降落任务。

​ 新的任务会打断上一个没有执行完的任务，所以如果takeoff函数没有加.join()，则最后的表现是无人机还没有起飞就降落了，无人机是不会起飞的。

​ 本质上说，这是异步起飞降落过程，是一个阻塞调用，代码会在此处等待，直到起飞完成。

client.armDisarm(False)

让无人机的旋翼停止旋转

client.enableApiControl(False)

释放API的控制权

位置控制

​ 通过位置坐标控制无人机飞行轨迹代码如下：

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.moveToZAsync(-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

轨迹如下：

client.moveToZAsync(-3, 1).join()               # 上升到3m高度

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

以1m/s的速度飞到3米高(AirSim中，Z轴向下为正)

.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

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

水平位置控制API

def moveToPositionAsync(
    self,
    x,          # 位置坐标（北东地坐标系）
    y,
    z,
    velocity,   # 飞行速度
    timeout_sec=3e38,		# 如果没有响应，超时时间,一般不会超时
    drivetrain=DrivetrainType.MaxDegreeOfFreedom,	# 设置飞行朝向模式和yaw角控制模式
    yaw_mode=YawMode(),
    lookahead=-1,				# 设置路径飞行的时候的yaw角控制模式
    adaptive_lookahead=1,
    vehicle_name="",
)

偏航角控制

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。这里的90度可以任意设置。

下图中，蓝色代表无人机朝向，红色代表无人机速度方向。在飞行至3m高度后（即图中白点），无人机顺时针旋转90°，而运动速度方向不变，也就导致了四旋翼向左侧方向运动的现象。

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()

在全局坐标系下，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。

在机体坐标系下，结果如下所示：

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。

上图中，白色为无人机朝向，蓝色为无人机速度方向，在无人机沿速度方向前进的过程中，无人机一直顺时针旋转，直至到达终点。

下面总结一下这两个参数的设置对效果的影响：

速度控制

import airsim
import time

client = airsim.MultirotorClient()  # connect to the AirSim simulator
client.enableApiControl(True)       # 获取控制权
client.armDisarm(True)              # 解锁
client.takeoffAsync().join()        # 第一阶段：起飞

client.moveToZAsync(-2, 1).join()   # 第二阶段：上升到2米高度

# 飞正方形
client.moveByVelocityZAsync(1, 0, -2, 8).join()     # 第三阶段：以1m/s速度向前飞8秒钟
client.moveByVelocityZAsync(0, 1, -2, 8).join()     # 第三阶段：以1m/s速度向右飞8秒钟
client.moveByVelocityZAsync(-1, 0, -2, 8).join()    # 第三阶段：以1m/s速度向后飞8秒钟
client.moveByVelocityZAsync(0, -1, -2, 8).join()    # 第三阶段：以1m/s速度向左飞8秒钟

# 悬停 6 秒钟
client.hoverAsync().join()          # 第四阶段：悬停6秒钟
time.sleep(6)

client.landAsync().join()           # 第五阶段：降落
client.armDisarm(False)             # 上锁
client.enableApiControl(False)      # 释放控制权

​ 飞行轨迹如下：

​ 可以观察到起飞点和降落点并不重合。这是因为四旋翼是一个非线性系统，给予一个速度指令，它是不可能瞬时达到的，而且这个速度指令与当前的速度之差越大，到达这个速度指令的调节时间就越长。所以在上面的程序中，最后的四旋翼并没有回到起点位置。

client.moveByVelocityZAsync(vx, vy, z, duration).join()

速度控制函数，让四旋翼在z的高度，以vx, vy的速度，飞行duration秒。.join()是程序在这里等待任务执行完成。

client.hoverAsync().join()

让四旋翼在当前位置悬停

速度控制API

def moveByVelocityZAsync(
    self,
    vx,							# 全局坐标系下x轴方向上的速度
    vy,							# 全局坐标系下y轴方向上的速度
    z,							# 全局坐标系下的高度
    duration,					# 持续的时间，单位：秒
    drivetrain=DrivetrainType.MaxDegreeOfFreedom,		# 用来设置偏航控制
    yaw_mode=YawMode(),			# 用来设置偏航控制
    vehicle_name="",			# 用于多机协同
 )

通信机制

​ AirSim API 使用的是 TCP/IP 中的 msgpack-rpc 协议，这是一种网络通信协议，所以如果设置正确，其实可以用两台不同的电脑来做仿真，一台跑 AirSim 和 Unreal，另一台跑 python程序。

​ 当 AirSim 开始仿真的时候，会打开 41451 端口，并监听这个端口的需求。python 程序使用 msgpack serialization 格式向这个端口发送 RPC 包，就可以与AirSim进行通信了。

​ 如果计算机的41451 端口已经被其他程序使用了，那么可以通过 settings 文件改变AirSim使用的端口号。使用这种网络通信协议的方式，可以将 AirSim 和 python程序隔离，互不干扰。所以不需要修改 AirSim 的任何源代码，就可以满足非常多的仿真需求；而且即使python程序中断了，AirSim 的仿真也可以继续进行。

​ 首先保证运行AirSim的电脑和运行python的电脑可以互相ping通。在运行AirSim的电脑上修改settings.json文件为：

{
    "RpcEnabled": true,
    "RpcAddress": "该电脑的IP地址",
    "RpcPort": 41451,
    "SimMode": "Multirotor", // 或其他模式
    // 其他设置...
}

​ 在运行python的电脑上创建AirSim对象并通过AirSim端的ip和端口号访问。

import airsim

client = airsim.MultirotorClient(ip="AirSim电脑的IP地址", port=41451)
client.confirmConnection()
client.enableApiControl(True)
client.armDisarm(True)
# 其他 AirSim 操作...

​ 都设置完成后，首先在运行 AirSim 的电脑上启动 Unreal 环境，然后在运行 Python 的电脑上执行 Python 脚本，即可完成通信。