【论文笔记】Flightmare_ A Flexible Quadrotor Simulator-优快云博客

最先进的四旋翼仿真器具有刚性和高度专业化的结构：它们要么速度快，物理精度高，要么逼真。在这项工作中，我们提出了一种新的四旋翼模拟器：Flightmare。Flightmare由两个主要组件组成：基于Unity构建的可配置渲染引擎和用于动力学仿真的灵活物理引擎。这两个组件完全解耦，可以彼此独立运行。这使得我们的仿真器速度极快：渲染速度高达230 Hz，而在笔记本电脑上的物理仿真速度高达200000 Hz。此外，Flightmare还具有几个理想的功能：（i）大型多模式传感器套件，包括用于提取场景三维点云的接口；（ii）强化学习API，可并行数百个四旋翼；以及（iii）与虚拟现实设备集成，以便与仿真环境交互。我们通过将Flightmare用于两个不同的机器人任务来证明它的灵活性：使用深度强化学习的四旋翼控制和复杂3D环境中的无碰撞路径规划。

关键词：四旋翼模拟器，逼真渲染

一、引言

仿真器是机器人研究人员的宝贵工具。它们允许以安全和廉价的方式开发和测试算法，而不必担心处理真实世界硬件的耗时和昂贵的过程。理想的仿真器是：（1）快速，在有限的时间内收集大量数据并进行计算；（2）物理精确，以高保真度表示真实世界的动力学；（3）照片逼真，最大限度地减少仿真和真实之间的差异世界传感器的观测。这些目标在本质上通常是冲突的：例如，仿真越真实，它就越慢。因此，在单个模拟器中实现所有这些目标是具有挑战性的。

目前可用的模拟器的格局是零散的：一些模拟器速度极快，例如Mujoco [1]，而另一些模拟器具有真正精确的动力学 [2,3] 或高度照片逼真的渲染 [4] 。这些模拟器的主要限制之一是它们的刚性。具体而言，他们委托仿真器开发人员而不是最终用户来权衡速度的准确性。然而，这个范式留下了一些问题：如果我们想动态地改变基础物理模型，该怎么办？如果我们想在灵活权衡逼真程度和仿真速度呢？在这项工作中，我们在四旋翼仿真的背景下回答了这些问题。为此，我们提出了Flight mare，一种新的灵活的仿真器，它将速度和精度的权衡放在终端用户手中。

Flightmare由两个主要模块组成：基于Unity[5]的渲染引擎和物理模型。这些模块完全解耦，可以彼此独立运行。此外，每个区块的设计都是灵活的。事实上，渲染块可以在广泛的3D逼真环境中使用，并生成从低到高的照片逼真度的视觉信息。以最小的额外计算成本，还可以模拟传感器噪声，例如运动模糊、环境动力学（例如风）和镜头畸变[5]。类似地，物理模块为用户提供所需机器人动力学和相关传感方面的完全控制。根据应用，用户可以轻松地在基本（无噪声）四旋翼模型和更高级的刚体动力学（包括摩擦和旋翼阻力）之间切换，或者直接使用真实的平台动力学，如[4]。直接依赖于物理模型的惯性传感和电机编码器也可以无噪声或包含不同程度的噪声[3,6]。

除了照片真实感渲染和快速四旋翼动力学仿真外，Flightmare还具有一些与当前可用的四旋翼模拟器相关的理想功能。与FlightGoggles[4]不同，我们提供了与流行的机器人仿真器Gazebo的接口以及不同的高性能物理引擎。与AirSim[7]不同，我们将渲染模块与物理引擎分离，当不需要渲染时，物理引擎可以提供快速而准确的物理模拟。此外，Flightmare（i）可以并行仿真多达数百个agent，这不仅适用于多无人机应用，还可以实现极快的数据收集和训练，这对于开发深度强化学习（RL）应用至关重要，（ii）为多个RL任务提供标准包装器（OpenAI Gym）[8]，以及最先进的RL算法的流行OpenAI基线[9]，（iii）提供丰富且可配置的传感器套件，以及以点云形式提取环境完整3D信息的API。表1总结了我们和其他四旋翼模拟器之间的主要区别。

我们定量评估了Flightmare在各种设置下的渲染速度和动力学模块。这项研究表明，使用商用多核笔记本电脑CPU，渲染块的速度可达230 Hz，动态块的速度可达200000 Hz。此外，我们还通过在两项具有挑战性的机器人任务中使用模拟器来证明模拟器的通用性：学习四旋翼的传感器运动控制策略，可能会出现传感器故障；以及复杂3D环境中的路径规划。这两项任务对仿真堆栈提出了完全不同的要求，Flightmare可以提供灵活的接口。然而，我们的仿真器并不局限于这些问题，可以应用于广泛的任务。