利用虛擬現(xiàn)實技術構建無人機虛擬現(xiàn)實平臺有兩大優(yōu)勢。第一個優(yōu)勢,，是傳統(tǒng)的無人機培訓方式,，如視頻教學模式、安裝培訓模式,，存在效率低,、成本高的缺陷。通過無人機虛擬平臺,，教練員可以進行無限制的飛行測試,，即使無人機“墜毀”也不會造成真正的無人機損毀和人員傷亡，可以提高訓練效率,，節(jié)省訓練成本,。第二個優(yōu)勢是該平臺可以幫助研究人員更好更快地研究深度學習。通過無人機虛擬平臺,，研究人員可以收集大量的訓練數(shù)據(jù)和圖像,，能夠以低成本的方式為無人機飛行過程中的無人機航路規(guī)劃和自阻提供支持。無人機深度學習虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)可以生成大量訓練數(shù)據(jù),，提高人工智能系統(tǒng)的訓練效率,，有利于工程應用。迄今為止,，已經開發(fā)了許多建模語言和建模軟件,，從而出現(xiàn)了許多無人機虛擬現(xiàn)實仿真平臺,。下面對主流無人機虛擬平臺類型、優(yōu)缺點進行分析,。

基于Vrml的無人機虛擬現(xiàn)實平臺的實現(xiàn)

VRML是一種建模語言,，也是最早構建無人機虛擬現(xiàn)實平臺的編程語言。由于編程簡單,，應用前景十分廣闊,。但后來因為語言功能不是很強,，所以在后期普及上有一定的局限性,。

基于Wtk的無人機虛擬現(xiàn)實平臺的實現(xiàn)

Creator是一款功能強大的專業(yè)3D 建模軟件，可以為應用程序實時生成3D模型和地形,。Creator和Vega結合構建無人機虛擬現(xiàn)實平臺方便快捷,，但缺點是開發(fā)不完整且成本高。

基于Creator/vega的無人機虛擬現(xiàn)實平臺的實現(xiàn)

Creator是一款功能強大的專業(yè)3D 建模軟件,，可以為應用程序實時生成3D模型和地形,。Creator和Vega結合構建無人機虛擬現(xiàn)實平臺方便快捷，但缺點是開發(fā)不完整且成本高,。

基于Opengl的無人機虛擬現(xiàn)實平臺的實現(xiàn)

OpenGL主要用于定義二維和三維圖形,。功能更強大，具有建模,、紋理映射,、大氣環(huán)境效果等豐富的場景設置，但缺點是開發(fā)周期長,、編程復雜,、需要底層模型。目前基于 OpenGL開發(fā)的Flightgear 基本包含了飛行器三維視覺模擬所需的全部功能,，但顯示效果很差,，場景渲染不夠精細。

現(xiàn)階段所有主流的無人機虛擬現(xiàn)實平臺都有自己的不足,。2017年,，微軟在Github上發(fā)布了一款基于虛幻引擎的無人機模擬器（AirSim）。該模擬器是一個開源項目,，用戶可以直接從網(wǎng)站獲取源代碼,。這個由AirSim構建的用于訓練無人機深度學習的虛擬仿真平臺，采用最新的圖形處理技術,，實現(xiàn)了更逼真的場景,，準確還原了陰影、陽光,、煙霧,、路水等細節(jié),。AirSim構建的虛擬仿真平臺克服了其他平臺的不足，尤其是在無人機深度學習方面,，還可以以極少的成本獲得海量的人工智能訓練數(shù)據(jù),。

Airsim的模塊組成

AirSim模塊庫由 AirLib、AirLibUnitTests,、DroneServe,、DroneShell、Examples 等組成,。模塊解釋如下：

圖1 Airsim模塊庫

AirLib模塊主要包含傳感器,、機架和環(huán)境的模型庫，以頭文件的形式提供,。其中傳感器測量的原始值是從Unreal Engine 4中獲取的,，原始值通過降噪輸出到飛控。AirLib模塊還包含障礙物圖的功能子模塊,，將無人機飛行區(qū)域的周邊區(qū)域劃分為若干個tick,，判斷Unreal Engine 4提供的場景中是否存在障礙物。無人機視覺障礙物研究可以通過這種方法來完成,。

圖2 Airlib 模塊

無人機深度學習虛擬現(xiàn)實平臺構建

無人機虛擬現(xiàn)實平臺場景的構建基于Unreal Engine 4,，Unreal Engine 4相比其他引擎在光照和物理渲染方面更勝一籌。無人機深度學習需要準確呈現(xiàn)陰影和光反射等細微的東西,，Unreal Engine 4可以更好的實現(xiàn),。EPIC的虛幻商店有很多場景（如：山、街,、海平面）可供選擇,。本文選擇了有利于無人機深度學習的“風景山”，“風景山”可以通過虛幻商店免費獲取,。

圖3 無人機虛擬現(xiàn)實平臺場景

獲取AirSim源碼并在Visual Studio 2015上編譯,，打開Visual Studio 2015，在Team Explorer中點擊clone,，在URL輸入“https://github.com/Microsoft/AirSim”,，設置項目目錄，然后點擊克隆,，可以獲得AirSim源代碼,，如圖4所示。

圖4 Airsim 源代碼

獲取源碼運行cmd,，進入工程目錄,，運行build.cmd編譯，編譯成功如圖5所示,。AirSim編譯成功后,，需要將編譯好的“Plugins”文件夾復制到“Myproject”工程中,，此時AirSim源代碼的獲取和編譯就完成了。最后更新飛控,，下載QGroundControl,，連接PX，選擇HIL Quadrocopter X機架,，連接Remote Control,，無人機虛擬現(xiàn)實平臺就可以成功運行。

圖5 Airsim編譯成功界面

通過深度學習訓練無人機進行圖像分類時,，需要提取圖像特征,。在圖像特征的視覺特征提取中，還需要分析圖像的輪廓邊緣特征,、顏色特征,、紋理特征和形狀特征,?；赨nreal Engine 4的AirSim平臺運行時，屏幕下方有3個子屏幕,，分別是無人機視圖,、實時深度視圖和實時對象分割。無人機深度學習圖像分類可以通過這三個視角支持,。

圖6 無人機虛擬現(xiàn)實平臺操作

無人機人工智能是無人機發(fā)展的一個趨勢,，無人機人工智能的實現(xiàn)主要是通過深度學習來完成。無人機通過深度學習算法從大量數(shù)據(jù)中學習潛在特征和規(guī)律,，智能識別新樣本,，還可以預測未來信息的可能性。采用基于Unreal Engine 4的AirSim,，通過虛擬現(xiàn)實技術模擬無人機飛行,，可以實時獲取無人機各幀的姿態(tài)和圖像。該平臺可以滿足無人機深度學習的需求,，具有很大的工程價值,。

源自：2017 Chinese Automation Congress (CAC), 2017, pp. 3912-3916, doi: 10.1109/CAC.2017.8243463.