uav collision avoidance

UAV 충돌 회피

기하학적 접근법을 기반으로 한 충돌 회피 시스템을 사용한 두 개의 UAV 시뮬레이션 구현에 관한 Python3 프로젝트. 프로젝트 링크 :

• github
• pypi

연구 작업

소개

UAV Collision Avoidance 3D 공간에서 UAVS 안전 협력의 학사 논문 프로젝트 회의 문제입니다. 프로젝트는 기능 물리 계산, 확장 가능한 GUI, 현실적인 ADS-B 가능성 충돌 회피 시스템 및 온보드 비행 계획을 구현합니다. 애플리케이션은 시뮬레이션 된 항공기를 제시하는 멀티 스레드 실시간 시뮬레이션과 선형 사전 렌더링 된 시뮬레이션을 제공하여 빠른 알고리즘 효과 테스트를 제공합니다.

선적 서류 비치

• 문서
• 위키

가옥

1. 시스템 정의 : 시스템은 XYZ 좌표계를 사용하여 3 차원 (3D) 공간으로 정의됩니다. X와 Y는 평평한 수평 평면을 나타내고 Z는 해발 높이를 나타냅니다.
2. 물리 시뮬레이션 : 물리학은 적절한 공식에 따라 두 번째 부분을 차별화하여 시뮬레이션됩니다. 무인 공중 차량 (UAV)의 물리학은 항공기의 프레임과 풍력 상대 프레임과 분리 된 지구의 프레임에 비해 간주됩니다. 3D 공간은 평평하며 지구의 곡률은 고려되지 않습니다. 고도를 얻거나 잃는 것은 항공기의 속도를 보존합니다. RPY 프레임이 고려됩니다. ¹
3. 항공기 특성 : 항공기는 수평 이륙 및 착륙 (HTOL) 드론으로 간주됩니다. 그들은 속도 벡터의 방향으로 만 움직일 수 있습니다. 항공기의 형태는 단순한 단단한 구체에 근접합니다.
4. 환경 : 공간은 2 ~ 3 개의 UAV가 공유합니다. 이 환경에는 가정 된 다른 물체 나 바람 돌풍이 없습니다.
5. 공기 역학 :이 순간에 공기 역학적 리프트 힘은 가정되지 않습니다. 회전 할 때 항공기는 항상 질량 관성에 대한 물리가 허용하는 최대 각도 변화를 취합니다. 최대 피치 및 롤 각도는 각각 -45°, 45° 및 -90°, 90° 간주되며, 양의 피치 각도는 등반을 의미하며 양의 롤 각도는 뱅킹 오른쪽을 의미합니다. 각도는 현실주의 보존을 위해 근사되지 않습니다.
6. 측정 단위 : 기본 거리 단위는 미터입니다 $ m $ 속도는 초당 미터로 측정됩니다 $ m/s $ 프레임 시간은 밀리 초로 표시됩니다 $ ms $ .

알고리즘

충돌 감지 및 회피 알고리즘은 기하학적 접근 방식에 의존합니다. 그들은 참조 논문 ² 에 제시되었다. 충돌 감지는 충돌과 정면 충돌을 구분합니다. 두 번째는 UAV가 예상 대중 충돌 중심 사이에 거리가없고 다른 유형의 접촉 일 때는 먼저 적용됩니다.

결과

기하학적 접근법은 충돌 감지 및 회피에 유용합니다. 이 시스템은 대부분의 경우 충돌을 피할 수 있습니다. 시스템은 완벽하지 않으며 일부 시나리오에서, 특히 항공기가 갈등이 감지 될 때 서로 너무 가까이있을 때 실패 할 수 있습니다. 이 시스템은 에너지 효율적이며 실제 시나리오에서 사용할 수 있습니다.

제안 된 테스트 사례 생성 및 평가 시스템은 간단하고 효과적입니다. 다양한 시나리오에서 시스템의 효과를 빠르게 테스트 할 수 있습니다. 이 시스템은보다 복잡한 시나리오와 추가 매개 변수를 포함하도록 추가로 개발 될 수 있습니다.

파이썬 프로젝트

기술

Python3 ³ 프로젝트는 PYPI 패키지 ⁴ 로 래핑됩니다. Pyside6 ⁵ (QT의 Python QT6 라이브러리)가 GUI 구현에 사용되었습니다.

구조

응용 프로그램은 시뮬레이션 및 항공기의 두 가지 주요 객체 유형을 기반으로 구축됩니다. 시뮬레이션은 초기 설정까지 생성되어 동시 실시간 변형 및 선형 사전 렌더링이 가능합니다. 항공기는 UAV의 물리적 표현 및 ADS-B 스레드에 의해 제어되는 두 가지 요소의 물리적 표현으로 구성됩니다. UAV 시스템들 사이의 연구는 두 번째 인용 논문 ⁶ 에서 얻어졌다.

데이터

시뮬레이션 데이터는 CSV 형식으로 저장됩니다. 파일의 각 행은 수행 된 단일 시뮬레이션을 나타냅니다. CSV 파일의 열은 항공기의 초기 및 최종 매개 변수, 충돌 감지 결과 및 회피가없는 경우에 항공기 간의 최소한의 상대 거리를 포함하여 테스트 사례에 대한 자세한 정보를 나타냅니다.

예제 시뮬레이션 데이터 파일은 데이터 디렉토리 데이터에 저장됩니다. Hz 시뮬레이션 주파수로 수행 된 200 개의 시뮬레이션 테스트 결과는 파일 시뮬레이션 -2024-06-10-00-21-19.CSV에 저장됩니다.

파일 트리

파일 구조는 tree 명령을 사용하여 생성되었습니다.

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

파일 구조를 여기에서보십시오 : 파일 구조

앱 논쟁

현재 8 가지 가능한 주장이 있습니다.

• 기본값 (인수 없음) - GUI 시뮬레이션을 실행합니다. 항공기가 안전한 구역을 차지할 때 T를 누르면 충돌을 피할 수 있습니다.
• Realtime file_path test_index collision_avoidance GUI 시뮬레이션을 실행합니다. 파일 이름을 지정하고 기본값을 찾을 수 있습니다. 테스트 인덱스를 지정하고 기본값을 0으로 유지할 수 있습니다. 충돌 회피를 지정하고 기본값을 꺼질 수 있습니다
• Headless- ADS -B 및 충돌 회피 알고리즘으로 물리적 시뮬레이션 실행
• tests test_number 충돌 회피 알고리즘의 효과, 테스트 번호 기본값을 15로 비교하는 전체 테스트를 실행합니다.
• 진행중기 -CTRL+C까지 충돌 회피 알고리즘의 효과를 비교하여 병렬로 기본 테스트 번호를 실행합니다.
• load file_path test_index 지정된 경우 파일에서 헤드리스 시뮬레이션을로드하고 수행합니다. 그렇지 않으면 데이터 디렉토리 데이터에서 기본 예제 테스트 사례를로드합니다. 테스트 인덱스를 지정하고 기본값을 0으로 할 수 있습니다
• 도움말 argument - 앱 인수에 대한 도움말 메시지; 모든 인수 목록에 대한 기본값
• 버전 - 앱의 인쇄 버전

주요 바로 가기

앱의 실시간 버전에는 환경과의 사용자 상호 작용을 허용하는 몇 가지 주요 바로 가기가 있습니다.

메모

항공기 0은 첫 번째 항공기이고 항공기 1은 두 번째 항공기입니다.

본격적인 테스트를 허용하는 앱의 실시간 버전에 대한 몇 가지 주요 바로 가기가 있습니다.

• 왼쪽 마우스 클릭 - 항공기의 대상 목록 상단에 클릭 위치를 추가합니다.
• 오른쪽 마우스 클릭 - 항공기의 목적지 목록에 위치를 클릭합니다 0
• 중간 마우스 클릭 (스크롤 클릭) - 텔레포트 항공기 0까지 클릭 위치
• 마우스 휠 - 시뮬레이션을 줌/아웃 시뮬레이션이 원활하게 렌더링됩니다
• 플러스/마이너스 키 (+/-) - 시뮬레이션 렌더링/아웃 신속한 렌더링
• 화살표 키 (↑ ↓ → ←) -보기를 움직입니다.
• F1 키 - ADS -B 항공기 0 정보보고
• F2/F3 키 - 항공기의 속도 다운/업 속도 0
• n 키 - 항공기 토글 0/1 다음보기 (기본값 끄기)
• M 키 - 항공기 사이의 스위치 0/1 뷰 다음 (기본 0)
• o 키 - 항공기 토글 0 항공기 1의 속도 벡터 (기본값)
• P 키 - 항공기 토글 1 항공기 0의 속도 벡터 (기본값)
• t 키 - 충돌 회피 조작을 토글 (기본값 끄기)
• WSAD 키 - 항공기 0-0, 180, 270, 90도에 대한 코스 설정
• R- 시뮬레이션을 재설정하여 상태를 시작합니다
• 슬래시 키 (/) - 물리 시뮬레이션을 일시 중지합니다
• Escape Key (ESC) - 시뮬레이션을 닫고 종료합니다

설치하다

다음 명령을 실행하여 앱을 설치하십시오.

pip install uav-collision-avoidance

데비안 12 종속성

데비안 12의 경우 다음 종속성을 설치해야합니다.

sudo apt-get install libgl1 libxcb-xinerama0

앱 헤드리스를 실행하려면 다음 내보내기를 실행해야합니다.

 export QT_QPA_PLATFORM=offscreen

용법

다음 중 하나를 사용하여 앱을 실행하십시오.

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

짓다

레포를 클로닝하고 다음 명령을 실행하여 빌드하십시오.

 #! /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 ]

발언

3 차원 (3D) 세계는 높이를 평평하게하여 2D 화면에 투사됩니다 (Z 좌표). 프로그램 시작시보기는 항공기에 중점을 두지 않습니다. 보기는 화살표 키로 이동하거나 N 키를 사용하여 항공기를 중심으로 이동할 수 있습니다.

하나의 코딩 컨벤션은 프로젝트의 범위에 보존되지 않습니다. QT의 방법은 Camelcase 형식이며 나머지는 변수 및 멤버 이름에 대한 Snake_case를 포함한 기본 파이썬 이름 지정 컨벤션입니다.

현재 작업 / 토도

• ADS-B : FCC 각도 최적화
• 렌더링 : 항공기 중앙보기 최적화
• 위키 : 문서

저자

Miłosz MacUlewicz

특허

라이센스 확인

참조

명사 프로젝트의 Anthony Lui의 드론 (CC x 3.0)

사용 된 모든 참조는 아래에 나열되어 있습니다.

각주

1. 항공기 원칙 축 al

2. 기하학적 접근에 기반한 UAV 충돌 회피 ↩

3. python3 ↩

4. pypi ↩

5. pyqt6 6

6. 에너지 효율적인 UAV 비행 제어 방법 장애물과 바람이있는 환경에서