uav collision avoidance

การหลีกเลี่ยงการชนกันของ UAV

โครงการ Python3 เกี่ยวกับการใช้งานการจำลอง UAV สองครั้งด้วยระบบหลีกเลี่ยงการชนกันตามวิธีการทางเรขาคณิต ลิงค์โครงการ:

• คนอื่น ๆ
• Pypi

งานวิจัย

การแนะนำ

UAV Collision Avoidance คือปัญหาการประชุมโครงการวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาตรีของฉันเกี่ยวกับความร่วมมือที่ปลอดภัยของ UAVS ในพื้นที่ 3 มิติ โครงการใช้การคำนวณฟิสิกส์ที่ใช้งานได้ GUI ที่ปรับขนาดได้ ADS-B ที่เป็นจริงระบบการหลีกเลี่ยงการชนกันที่น่าจะเป็นและการวางแผนการบินบนกระดาน แอปพลิเคชันนำเสนอการจำลองแบบเรียลไทม์แบบมัลติเธรดที่นำเสนอเครื่องบินจำลองรวมถึงการจำลองแบบเรนเดอร์เชิงเส้นเป็นเส้นตรงช่วยให้สามารถทดสอบประสิทธิภาพอัลกอริทึมอย่างรวดเร็ว

เอกสาร

• เอกสาร
• วิกิ

สถานที่

1. คำจำกัดความของระบบ: ระบบถูกกำหนดให้เป็นพื้นที่ 3 มิติ (3D) โดยใช้ระบบพิกัด XYZ X และ Y แสดงถึงระนาบแนวนอนแบนในขณะที่ Z แสดงถึงความสูงเหนือระดับน้ำทะเล
2. การจำลองฟิสิกส์: ฟิสิกส์ถูกจำลองโดยการแยกส่วนที่สองของวินาทีตามสูตรที่เหมาะสม ฟิสิกส์ของยานพาหนะทางอากาศที่ไม่มีคนขับ (UAVs) ได้รับการพิจารณาเมื่อเทียบกับกรอบของโลกซึ่งแยกออกจากกรอบของเครื่องบินและเฟรมสัมพัทธ์ของลม พื้นที่ 3 มิตินั้นแบนและไม่ได้พิจารณาความโค้งของโลก การเพิ่มหรือสูญเสียความสูงรักษาความเร็วของเครื่องบิน กรอบ RPY ได้รับการพิจารณา ¹
3. ลักษณะของเครื่องบิน: เครื่องบินได้รับการพิจารณาว่าเป็นโดรนในแนวนอนและลงจอด (HTOL) โดรน พวกเขาสามารถเคลื่อนที่ไปในทิศทางของเวกเตอร์ความเร็วเท่านั้น รูปแบบของเครื่องบินถูกประมาณเป็นทรงกลมที่เป็นของแข็งอย่างง่าย
4. สภาพแวดล้อม: พื้นที่ใช้งานร่วมกันโดย UAV สองหรือสามแห่ง ไม่มีวัตถุอื่นหรือลมกระโชกลมที่สันนิษฐานในสภาพแวดล้อมนี้
5. อากาศพลศาสตร์: ไม่มีแรงยกอากาศพลศาสตร์ในขณะนี้ เมื่อหมุนเครื่องบินจะใช้การเปลี่ยนแปลงมุมสูงสุดที่ฟิสิกส์อนุญาตให้เคารพความเฉื่อยของมวล มุมพิทช์และม้วนสูงสุดได้รับการพิจารณา -45°, 45° และ -90°, 90° ตามลำดับโดยที่มุมพิทช์บวกหมายถึงการปีนเขาและมุมม้วนบวกหมายถึงการธนาคารขวา มุมไม่ได้ประมาณสำหรับการอนุรักษ์ความสมจริง
6. หน่วยการวัด: หน่วยระยะทางเริ่มต้นคือเมตร $ m $ วัดความเร็วเป็นเมตรต่อวินาที $ m/s $ และเวลาเฟรมจะแสดงเป็นมิลลิวินาที $ MS $ -

อัลกอริทึม

ทั้งอัลกอริทึมการตรวจจับการชนกันและการหลีกเลี่ยงนั้นขึ้นอยู่กับวิธีการทางเรขาคณิต พวกเขาถูกนำเสนอในเอกสารอ้างอิง ² การตรวจจับการชนกันแตกต่างระหว่างการชนและการชนกัน อันที่สองใช้เมื่อ UAVs ไม่มีระยะห่างระหว่างจุดศูนย์กลางของการชนกันของมวลชนและครั้งแรกเมื่อมีการติดต่อประเภทอื่น ๆ

ผลลัพธ์

วิธีการทางเรขาคณิตพิสูจน์ให้เห็นว่ามีประโยชน์ในการตรวจจับการชนและการหลีกเลี่ยง ระบบมีความสามารถในการหลีกเลี่ยงการชนในกรณีส่วนใหญ่ ระบบไม่สมบูรณ์แบบและอาจล้มเหลวในบางสถานการณ์โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเครื่องบินอยู่ใกล้กันมากเกินไปเมื่อตรวจพบความขัดแย้ง ระบบประหยัดพลังงานและสามารถใช้ในสถานการณ์จริง

การสร้างกรณีทดสอบที่เสนอและระบบการประเมินผลนั้นง่ายและมีประสิทธิภาพ ช่วยให้สามารถทดสอบประสิทธิภาพของระบบได้อย่างรวดเร็วในสถานการณ์ต่าง ๆ ระบบสามารถพัฒนาต่อไปเพื่อรวมสถานการณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้นและพารามิเตอร์เพิ่มเติม

โครงการ Python

เทคโนโลยี

โครงการ Python3 ³ ถูกห่อเป็นแพ็คเกจ PYPI ⁴ Pyside6 ⁵ (ห้องสมุด Python QT6 ของ Qt) ใช้สำหรับการใช้งาน GUI

โครงสร้าง

แอปพลิเคชันถูกสร้างขึ้นตามวัตถุสองประเภทหลักคือการจำลองและเครื่องบิน การจำลองถูกสร้างขึ้นเพื่อการตั้งค่าเริ่มต้นทำให้สามารถใช้ตัวแปรเรียลไทม์พร้อมกันได้และการเรนเดอร์เชิงเส้น เครื่องบินประกอบด้วยสององค์ประกอบการแสดงทางกายภาพของคอมพิวเตอร์ UAV และคอมพิวเตอร์ควบคุมการบินซึ่งควบคุมโดยเธรด ADS-B การวิจัยระหว่างระบบ UAV ถูกดึงมาจากกระดาษที่อ้างถึงครั้งที่สอง ⁶

ข้อมูล

ข้อมูลการจำลองถูกเก็บไว้ในรูปแบบ CSV แต่ละแถวในไฟล์แสดงถึงการจำลองเดียวที่ดำเนินการ คอลัมน์ในไฟล์ CSV แสดงข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับกรณีทดสอบรวมถึงพารามิเตอร์เริ่มต้นและสุดท้ายของเครื่องบินผลการตรวจจับการชนและระยะทางสัมพัทธ์น้อยที่สุดระหว่างเครื่องบินสำหรับทั้งสองกรณีที่มีและไม่มีการหลีกเลี่ยง

ตัวอย่างไฟล์ข้อมูลการจำลองถูกเก็บไว้ในข้อมูลไดเรกทอรีข้อมูล ผลลัพธ์ของการทดสอบการจำลอง 200 ครั้งที่ดำเนินการกับความถี่การจำลอง 10 Hz จะถูกเก็บไว้ในไฟล์ Simulation-20124-06-10-00-21-19.CSV

แผนผังไฟล์

โครงสร้างไฟล์ถูกสร้างขึ้นโดยใช้คำสั่ง tree :

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

ดูโครงสร้างไฟล์ที่นี่: โครงสร้างไฟล์

อาร์กิวเมนต์แอพ

มีข้อโต้แย้งที่เป็นไปได้แปดประการในขณะนี้:

• ค่าเริ่มต้น (ไม่มีอาร์กิวเมนต์) - เรียกใช้การจำลอง GUI; การหลีกเลี่ยงการชนสามารถทำได้โดยการกด T เมื่อเครื่องบินมีโซนที่ปลอดภัยของพวกเขา
• เรียลไทม์ file_path test_index collision_avoidance - เรียกใช้การจำลอง GUI; สามารถระบุชื่อไฟล์และเริ่มต้นกับข้อมูลการจำลองล่าสุดที่พบ ดัชนีทดสอบสามารถระบุและค่าเริ่มต้นเป็น 0; การหลีกเลี่ยงการชนกันสามารถระบุและค่าเริ่มต้นที่จะปิด
• Headless - ดำเนินการจำลองทางกายภาพด้วย ADS -B และอัลกอริทึมการหลีกเลี่ยงการชนกัน
• Tests test_number - เรียกใช้การทดสอบเต็มรูปแบบเปรียบเทียบประสิทธิภาพของอัลกอริทึมการหลีกเลี่ยงการชนกันหมายเลขทดสอบเริ่มต้นที่ 15
• ต่อเนื่อง - เรียกใช้หมายเลขทดสอบเริ่มต้นในแบบคู่ขนานเปรียบเทียบประสิทธิภาพของอัลกอริทึมการหลีกเลี่ยงการชนกันอย่างต่อเนื่องจนถึง Ctrl+C
• โหลด file_path test_index - โหลดและดำเนินการจำลองแบบไม่มีหัวจากไฟล์เมื่อระบุมิฉะนั้นโหลดตัวอย่างการทดสอบตัวอย่างเริ่มต้นจากข้อมูลไดเรกทอรีข้อมูล สามารถระบุดัชนีทดสอบและค่าเริ่มต้นเป็น 0
• argument ช่วยเหลือ - พิมพ์ข้อความช่วยเหลือสำหรับอาร์กิวเมนต์แอป ค่าเริ่มต้นไปยังรายการอาร์กิวเมนต์ทั้งหมด
• เวอร์ชัน - เวอร์ชันพิมพ์ของแอพ

ทางลัดกุญแจ

แอพเวอร์ชันเรียลไทม์มีทางลัดคีย์หลายทางที่ช่วยให้ผู้ใช้มีปฏิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อม

บันทึก

เครื่องบิน 0 เป็นลำแรกเครื่องบิน 1 เป็นลำที่สอง

มีทางลัดคีย์หลายรายการสำหรับแอพเวอร์ชันเรียลไทม์ที่อนุญาตให้ทำการทดสอบเต็มรูปแบบ

• การคลิกเมาส์ซ้าย - ผนวกคลิกตำแหน่งไปด้านบนของรายการปลายทางของเครื่องบิน 0
• การคลิกเมาส์ขวา - เพิ่มตำแหน่งคลิกไปยังจุดสิ้นสุดของรายการปลายทางของเครื่องบิน 0
• Middle Mouse Click (Scroll Click) - เครื่องบินเทเลพอร์ต 0 ถึงตำแหน่งคลิก
• Mouse Wheel - ซูมเข้า/ออกการจำลองแสดงผลอย่างราบรื่น
• บวก/ลบคีย์ (+/-) - ซูมเข้า/ออกการจำลองการแสดงผลอย่างรวดเร็ว
• ปุ่มลูกศร (↑↓→←) - เลื่อนมุมมอง
• คีย์ F1 - สลับเครื่องบิน ADS -B 0 การรายงานข้อมูล
• ปุ่ม F2/F3 - ความเร็วลง/ความเร็วความเร็วของเครื่องบิน 0
• n คีย์ - สลับเครื่องบิน 0/1 มุมมองต่อไปนี้ (ปิดเริ่มต้น)
• M คีย์ - สลับระหว่างเครื่องบิน 0/1 มุมมองต่อไปนี้ (ค่าเริ่มต้น 0)
• o key - สลับเครื่องบิน 0 กำหนดเป้าหมายเวกเตอร์ความเร็วของเครื่องบิน 1 (ปิดเริ่มต้น)
• P คีย์ - สลับเครื่องบิน 1 การกำหนดเป้าหมายเวกเตอร์ความเร็ว 0 ของเครื่องบิน (ปิดเริ่มต้น)
• T คีย์ - สลับการหลีกเลี่ยงการชนกัน (ปิดการใช้งาน (ปิดเริ่มต้น)
• WSAD Keys - ตั้งค่าหลักสูตรสำหรับเครื่องบิน 0 - 0, 180, 270, 90 องศาตามลำดับ
• R - รีเซ็ตการจำลองเพื่อเริ่มสถานะ
• Slash Key (/) - การจำลองทางฟิสิกส์หยุดชั่วคราว
• Escape Key (ESC) - ปิดและสิ้นสุดการจำลอง

ติดตั้ง

ติดตั้งแอปโดยเรียกใช้คำสั่งต่อไปนี้:

pip install uav-collision-avoidance

Debian 12 การพึ่งพา

สำหรับ Debian 12 คุณต้องติดตั้งการอ้างอิงต่อไปนี้:

sudo apt-get install libgl1 libxcb-xinerama0

ในการเรียกใช้แอพหัวขาดคุณต้องเรียกใช้การส่งออกต่อไปนี้:

 export QT_QPA_PLATFORM=offscreen

การใช้งาน

ใช้สิ่งใด ๆ ต่อไปนี้เพื่อเรียกใช้แอพ:

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

สร้าง

สร้างโดยการโคลนนิ่ง repo และเรียกใช้คำสั่งต่อไปนี้:

 #! /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 ]

ข้อสังเกต

โลก 3 มิติ (3D) ถูกฉายบนหน้าจอ 2D โดยความสูงแบน (พิกัด Z) ในการเริ่มโปรแกรมมุมมองไม่ได้อยู่กึ่งกลางเครื่องบินใด ๆ มุมมองสามารถเคลื่อนย้ายด้วยปุ่มลูกศรหรืออยู่กึ่งกลางบนเครื่องบินโดยใช้คีย์ N

อนุสัญญาการเข้ารหัสหนึ่งรายการจะไม่ได้รับการเก็บรักษาไว้ในขอบเขตของโครงการ วิธีการของ QT คือการจัดรูปแบบ Camelcase และส่วนที่เหลือคือการประชุมการตั้งชื่อ Python เริ่มต้นรวมถึง SNAKE_CASE สำหรับตัวแปรและชื่อสมาชิก

งานปัจจุบัน / todos

• ADS-B: การเพิ่มประสิทธิภาพมุม FCC
• การแสดงผล: การเพิ่มประสิทธิภาพมุมมองของเครื่องบินเป็นศูนย์กลาง
• Wiki: เอกสาร

ผู้เขียน

Miłosz Maculewicz

ใบอนุญาต

ตรวจสอบใบอนุญาต

การอ้างอิง

โดรนโดย Anthony Lui จาก Noun Project (CC โดย 3.0)

การอ้างอิงที่ใช้ทั้งหมดแสดงอยู่ด้านล่าง

เชิงอรรถ

1. แกนหลักของเครื่องบิน↩

2. การหลีกเลี่ยงการชนกันของ UAV ตามวิธีการเรขาคณิต↩

3. Python3 ↩

4. pypi ↩

5. pyqt6 ↩

6. วิธีการควบคุมการบิน UAV ประหยัดพลังงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุปสรรคและลมกระโชกแรงลม↩