uav collision avoidance

تجنب تصادم الطائرات بدون طيار

مشروع Python3 فيما يتعلق بتنفيذ محاكاة اثنين من الطائرات بدون طيار مع نظام تجنب الاصطدام على أساس النهج الهندسي. روابط المشروع:

• جيثب
• pypi

العمل البحثي

مقدمة

UAV Collision Avoidance هو مشكلة عرض أطروحة البكالوريوس الخاصة بي في تعاون الطائرات بدون طيار في الفضاء ثلاثي الأبعاد. يقوم المشروع بتنفيذ حسابات الفيزياء الوظيفية ، واجهة المستخدم الرسومية القابلة للتطوير ، أنظمة تجنب التصادم المحتملة ADS-B الواقعية والتخطيط على متن الطيران على متن الطائرة. يوفر التطبيق محاكاة في الوقت الفعلي متعددة الترابطات التي تقدم طائرات محاكاة وكذلك محاكاة خطيًا مسبقًا مما يتيح اختبار فعالية الخوارزمية السريعة.

الوثائق

• مستندات
• ويكي

مقدمات

1. تعريف النظام: يتم تعريف النظام على أنه مساحة ثلاثية الأبعاد (3D) باستخدام نظام إحداثيات XYZ. تمثل X و Y طائرة أفقية مسطحة ، بينما يمثل Z الارتفاع فوق مستوى سطح البحر.
2. محاكاة الفيزياء: يتم محاكاة الفيزياء عن طريق التمييز بين الأجزاء الثانية وفقًا للصيغ المناسبة. تعتبر فيزياء المركبات الجوية غير المأهولة (الطائرات بدون طيار) نسبة إلى إطار الأرض ، مفصولة عن إطار الطائرة والإطار النسبي للرياح. الفضاء ثلاثي الأبعاد مسطح ، ولا يعتبر انحناء الأرض. اكتساب أو فقدان الارتفاع يحافظ على سرعة الطائرة. يعتبر إطار RPY. ¹
3. خصائص الطائرات: تعتبر الطائرات الطائرات بدون طيار أفقية للإقلاع والهبوط (HTOL). يمكنهم فقط التحرك في اتجاه متجهات السرعة الخاصة بهم. يتم تقريب شكل الطائرة إلى كرة صلبة بسيطة.
4. البيئة: تتم مشاركة المساحة من قبل اثنين أو ثلاثة طائرات بدون طيار. لا توجد أشياء أخرى أو عواصف الرياح المفترضة في هذه البيئة.
5. الديناميكا الهوائية: لا يفترض أي قوة رفع ديناميكية في هذه اللحظة. عند الدوران ، تأخذ الطائرات دائمًا تغيير الزاوية القصوى التي تسمح بها الفيزياء ، مع احترام القصور الذاتي. تعتبر زوايا الملعب واللفافة القصوى -45°, 45° و -90°, 90° على التوالي ، حيث تعني زاوية الملعب الإيجابية التسلق وزاوية لفة الإيجابية يعني اليمين. لا يتم تقريب الزوايا للحفاظ على الواقعية.
6. وحدات القياس: وحدات المسافة الافتراضية هي متر $ م $ ، يتم قياس السرعة بالأمتار في الثانية $ m/s $ ويتم تمثيل أوقات الإطار بالمللي ثانية $ ms $ .

الخوارزميات

تعتمد كل من خوارزميات الكشف عن التصادم وتجنبها على النهج الهندسي. تم تقديمها في الورقة المرجعية ² . يميز الكشف عن التصادم بين الاصطدام والتصادم المباشر. والثاني ينطبق عندما لا يكون لدى الطائرات بدون طيار مسافة بين مركز الجماهير المتوقع ، والأول عندما يكون كل نوع آخر من التلامس.

نتائج

يثبت النهج الهندسي مفيدًا في اكتشاف الاصطدام وتجنبه. النظام قادر على تجنب التصادم في معظم الحالات. النظام ليس مثاليًا ويمكن أن يفشل في بعض السيناريوهات ، خاصة عندما تكون الطائرات قريبة جدًا من بعضها البعض عند اكتشاف الصراع. النظام فعال في الطاقة ويمكن استخدامه في سيناريوهات الحياة الواقعية.

نظام الاختبار المقترح نظام التوليد والتقييم بسيط وفعال. يسمح باختبار سريع لفعالية النظام في سيناريوهات مختلفة. يمكن تطوير النظام بشكل أكبر ليشمل سيناريوهات أكثر تعقيدًا ومعلمات إضافية.

مشروع بيثون

التقنيات

يتم لف مشروع Python3 ³ كحزمة PYPI ⁴ . تم استخدام Pyside6 ⁵ (مكتبة Python QT6 من QT) لتنفيذ واجهة المستخدم الرسومية.

الهياكل

تم تصميم التطبيق على أساس نوعين من الكائنات الرئيسية ، المحاكاة والطائرات. يتم إنشاء المحاكاة حتى الإعدادات الأولية ، مما يسمح بمتغير الوقت الحقيقي المتزامن والتقديم المسبق الخطي. تتكون الطائرة من عنصرين ، تمثيل مادي لجهاز الكمبيوتر الطائرات بدون طيار والتحكم في الطيران ، والذي يتم التحكم فيه بواسطة مؤشر ترابط ADS-B. تم استخلاص الأبحاث بين أنظمة الطائرات بدون طيار من الورقة ⁶ .

بيانات

يتم تخزين بيانات المحاكاة بتنسيق CSV. يمثل كل صف في الملف محاكاة واحدة أجريت. تمثل الأعمدة الموجودة في ملف CSV معلومات مفصلة حول حالة الاختبار ، بما في ذلك المعلمات الأولية والنهائية للطائرات ، ونتائج اكتشاف التصادم ، والحد الأدنى من المسافة النسبية بين الطائرات لكلا الحالتين مع ودون تجنب.

مثال يتم تخزين ملفات بيانات المحاكاة في بيانات دليل البيانات. يتم تخزين نتائج 200 اختبار محاكاة أجريت مع تردد محاكاة 10 Hz في محاكاة الملف -2024-06-10-00-21-19.CSV.

شجرة الشجرة

تم إنشاء بنية الملف باستخدام أمر tree :

tree --gitignore -I " __pycache__|.env|.github|.pytest_cache|.vscode|assets|build|logs|path-visual|uav_collision_avoidance.egg-info|venv|docs "

عرض بنية الملف هنا: بنية الملف

حجج التطبيق

هناك ثماني حجج محتملة في الوقت الحالي:

• الافتراضي (لا حجج) - تشغيل محاكاة واجهة المستخدم الرسومية ؛ يمكن تحقيق تجنب الاصطدام عن طريق الضغط على T ، عندما يكون للطائرات المناطق الآمنة الخاصة بها
• realtime file_path test_index collision_avoidance - يقوم بتشغيل محاكاة واجهة المستخدم الرسومية ؛ يمكن تحديد اسم الملف والإعدادات الافتراضية لأحدث بيانات المحاكاة الموجودة ؛ يمكن تحديد فهرس الاختبار والافتراضات إلى 0 ؛ يمكن تحديد تجنب الاصطدام والتخلف عن السداد
• مقطوعة الرأس - يدير محاكاة جسدية مع خوارزمية تجنب التصادم ADS -B
• الاختبارات test_number - يقوم بتشغيل الاختبارات الكاملة تقارن فعالية خوارزمية تجنب الاصطدام ، واختبار الافتراضات إلى 15
• مستمر - يقوم بتشغيل رقم الاختبار الافتراضي بالتوازي مقارنة بفعالية خوارزمية تجنب الاصطدام بشكل مستمر حتى CTRL+C
• تحميل file_path test_index - يقوم بتحميل ويقوم بمحاكاة مقطوعة الرأس من الملف عند تحديدها ، وإلا يقوم بتحميل حالة اختبار المثال الافتراضية من بيانات دليل البيانات ؛ يمكن تحديد فهرس الاختبار والإعدادات الافتراضية إلى 0
• argument المساعدة - طباعة رسالة مساعدة لحجة التطبيق ؛ الإعدادات الافتراضية لجميع قائمة الوسائط
• الإصدار - يطبع إصدار التطبيق

اختصارات رئيسية

يحتوي الإصدار الحقيقي للتطبيق على العديد من الاختصارات الرئيسية التي تسمح بتفاعل المستخدم مع البيئة.

ملحوظة

الطائرة 0 هي الأولى ، الطائرة 1 هي الثانية.

هناك العديد من الاختصارات الرئيسية للإصدار الحقيقي للتطبيق الذي يسمح باختبار واسع النطاق.

• انقر على الماوس الأيسر - إلحاق انقر فوق الموقع إلى أعلى قائمة الوجهة للطائرات 0
• انقر فوق الماوس الأيمن - يضيف انقر فوق موقع إلى نهاية قائمة الوجهة للطائرات 0
• انقر فوق الماوس الأوسط (انقر فوق) - طائرة Teleports 0 إلى موقع النقر
• عجلة الماوس - تكبير/الخروج من المحاكاة بسلاسة
• مفاتيح Plus/Minus (+/-) - تكبير/خارج عرض المحاكاة بسرعة
• مفاتيح الأسهم (↑ ↓ → ←) - تحرك العرض
• مفتاح F1 - Toggles ADS -B Aircraft 0 INFO
• مفاتيح F2/F3 - السرعة لأسفل/أعلى السرعة الهدف للطائرة 0
• مفتاح N - Toggles Aircraft 0/1 عرض التالي (إيقاف افتراضي)
• مفتاح M - المفاتيح بين الطائرة 0/1 التالية (الافتراضي 0)
• O Key - Toggles Aircraft 0 استهداف الطائرات 1 لسرعة السرعة (الافتراضي)
• P Key - Toggles Aircraft 1 استهداف طائرة VECTOR 0 (إيقاف افتراضي)
• T Key - Toggles Collision Thanking Cyneuvering (افتراضي)
• WSAD KEYS - دورة للطائرات 0 - 0 ، 180 ، 270 ، 90 درجة على التوالي
• R - إعادة تعيين المحاكاة لبدء الحالة
• مفتاح SLASH (/) - توقف في الفيزياء
• مفتاح الهروب (ESC) - يغلق وينتهي المحاكاة

ثَبَّتَ

قم بتثبيت التطبيق عن طريق تشغيل الأمر التالي:

pip install uav-collision-avoidance

ديبيان 12 التبعيات

بالنسبة لـ Debian 12 ، تحتاج إلى تثبيت التبعيات التالية:

sudo apt-get install libgl1 libxcb-xinerama0

لتشغيل التطبيق بلا رأس ، تحتاج إلى تشغيل التصدير التالي:

 export QT_QPA_PLATFORM=offscreen

الاستخدام

استخدم أي مما يلي لتشغيل التطبيق:

uav-collision-avoidance

uav-collision-avoidance realtime [file_name] [test_index] [collision_avoidance]

uav-collision-avoidance headless

uav-collision-avoidance tests [test_number]

uav-collision-avoidance ongoing

uav-collision-avoidance load [file_name] [test_index]

uav-collision-avoidance help [argument]

uav-collision-avoidance version

يبني

قم بإنشائه عن طريق استنساخ الريبو وتشغيل الأوامر التالية:

 #! /bin/bash
python3 -m venv venv
source venv/bin/activate
pip install -r requirements.txt
python main.py [argument]

python - m venv venv
.venvScriptsactivate
pip install - r requirements.txt
python main.py [ argument ]

ملاحظات

من المتوقع أن يكون العالم ثلاثي الأبعاد (ثلاثي الأبعاد) على شاشة ثنائية الأبعاد عن طريق ارتفاع ارتفاع (إحداثيات Z). في بداية البرنامج ، لا يتمركز العرض على أي من الطائرات. يمكن نقل العرض باستخدام مفاتيح الأسهم أو مركزها على الطائرة باستخدام مفتاح N

لا يتم الحفاظ على اتفاقية ترميز واحدة في نطاق المشروع. أساليب QT هي تنسيق Camelcase والباقي هو الافتراضي اتفاقية تسمية Python بما في ذلك Snake_Case للمتغير والأعضاء.

العمل الحالي / تودوس

• ADS-B: تحسين زاوية FCC
• التقديم: تحسين الطائرات المتمركزة في الطائرات
• ويكي: الوثائق

المؤلفون

ميوسز ماكوليويتش

رخصة

تحقق من الترخيص

مراجع

طائرة بدون طيار من أنتوني لوي من مشروع Noun (CC BY 3.0)

جميع المراجع المستخدمة مدرجة أدناه.

الحواشي

1. المحاور الرئيسية للطائرات ↩

2. تجنب تصادم الطائرات بدون طيار على أساس النهج الهندسي ↩

3. Python3 ↩

4. pypi ↩

5. pyqt6 ↩

6. طريقة التحكم في طيران الطائرات بدون طيار كفاءة في استخدام الطاقة في بيئة مع عقبات ومواعيد رياح ↩