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AirSim（五）---理解篇： Airsim世界坐标系、NED坐标系、机体坐标系以及控制相关API接口函数

2023-05-16

目录

  • 1. 坐标系 coordinate system
    • (1) AirSim API的坐标系：NED 坐标系 with SI unit
    • (2) Unreal Engine的坐标系
    • （3）AirSim全局坐标系=NED坐标系=世界坐标系
    • （4） AirSim的机体坐标系：Body Frame
  • 2. AirSim APIs for 车辆和无人机的状态

1. 坐标系 coordinate system

本部分源自：Using AirSim>>Core APIs>> AirSim APIs 官网

(1) AirSim API的坐标系：NED 坐标系 with SI unit

该坐标系也是世界坐标系，world frame。

  1. 所有AirSim API使用NED坐标系统，即+X是北North，+Y是东East，+Z是下Down。这意味着Z值越高越负：如果原点在地面上，z值是零，地面以上是负的！
  2. 所有单位都是国际单位制。
  3. 请注意，不同于Unreal Engine （UE）内部使用的坐标系统。在Unreal Engine中，+Z是向上Up而不是向下Down，长度单位是厘米cm而不是米m。
  4. AirSim API来完成从Unreal Engine的NEU坐标系到AirSim的NED坐标系的适当转换。在AirSim NED系统中，车辆的起始点总是坐标(0,0,0)。因此，当从UE坐标系转换到AirSim NED坐标系时，我们首先减去起始点偏移量，然后缩放100实现cm到m的转换。
  5. 在UE环境中，车辆由Player Start component放置的地方生成或衍生而来，在Settings.json配置文件中有一个设置项元素为OriginGeopoint，可以将地理经度、纬度和海拔分配给Player Start Component

OriginGeoPoint这指定了放置在Unreal环境中的Player Start Component的纬度、经度和高度。车辆的原点(home point)是用这个变换计算出来的。请注意，所有通过API采用的坐标都使用了以SI单位表示的NED坐标系统，这意味着每辆车在NED系统中都从(0,0,0)开始启动。
—《OriginGeopoint》官网资料

(2) Unreal Engine的坐标系

  1. AirSim不同于Unreal Engine （UE）内部使用的坐标系统。在Unreal Engine中，+Z是向上Up而不是向下Down，长度单位是厘米cm而不是米m。
  2. 用户不必特别关系UE坐标系，因为AirSim已经处理好了这个问题，即只需要按照AirSim坐标系设置即可，包括Settings.json中的OriginGeopoint元素，AirSim会帮用户自动转换。

（3）AirSim全局坐标系=NED坐标系=世界坐标系

（4） AirSim的机体坐标系：Body Frame

本部分参考：airsim document

根据Airsim文档提供的说明， 机体坐标系body frame遵循Front Left Up (FLU)，右手法则。
在这里插入图片描述

机体坐标系FLU
Note：图片来源：GAAS

Note2: 上述FLU坐标系为右手坐标系。判断绕某个旋转轴i 的旋转正方向的方法为：右手坐标系:
右手握拳,大拇指伸直指向旋转轴i的正方向（箭头方向）,其余四指指尖所朝向的方向即为正方向（等效于从旋转轴i正方向箭头端逆向看过去，或者旋转轴i正方向箭头射进你的眼睛，这时看到的逆时针旋转方向为绕i轴的正方向）。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

Note：也有说法是认为FLU坐标系不对，应该是FRD坐标系。即机体坐标系的原点在机体的重心位置，x,y,z三个坐标轴的方向分别指向机体的前方、右方、下方. 点击此。

2. AirSim APIs for 车辆和无人机的状态

本部分内容：Using AirSim>>Core APIs: APIs for Car

Airsim提供了两个API函数来进行车辆的控制、获取车辆状态

设置车辆控制参数setCarControlsset throttle, steering, handbrake and auto or manual gear.
获取车辆状态参数getCarState获取如下的状态信息： speed, current gear，6 kinematics quantities: position, orientation, linear and angular velocity, linear and angular acceleration.
设置无人机控制参数move* APIs1 Multirotor can be controlled by specifying angles, velocity vector, destination position or some combination of these.
2 当进行position control时, 需要path following算法，其中AirSim 默认采用carrot following algorithm，这部分通常被认为是 “high level control” ，因为只需要指定 high level goal，the firmware会自动完成其余功能。
3 当前AirSim提供的底层控制 lowest level control 是API函数： moveByAngleThrottleAsync API.
获取无人机状态参数getMultirotorState1 这个API在一个调用中返回车辆的状态。
2 状态包括:collision、estimated kinematics(即通过融合传感器计算的运动学)和timestamp(自每个epoch以来的纳秒时间)。3. 这里的kinematics运动学指的是6个量：position, orientation, linear and angular velocity, linear and angular acceleration。
4请注意，simple_slight目前不支持state estimator，这意味着simple_flight模式下估计运动学值和地面真实运动学值是相同的
获取真实vehicle和环境状态simGetGroundTruthEnvironment
(vehicle_name=‘’
一般是Ground Truth值)		该函数返回class airsim.types.EnvironmentState，包含环境状态：
-大气密度air_density;
-大气压air_pressure；
-PlayerStart的起始地理信息geo_point；
-重力gravity;
-无人机位置in NED position；
-温度temperature.
Note:gravity是环境的重力，NED坐标系中为z轴正方向一致，因此可得到类似9.8的结果。
获取vehicle估计的运动学状态simGetGroundTruthKinematics
(vehicle_name=‘’)
指的是kinematics估计值
该函数返回airsim.types.KinematicsState，包含信息：
1. 角加速度：angular_acceleration
2. 角速度：angular_velocity
3. 加速度：linear_acceleration
4. 速度：linear_velocity
5. 姿态四元数：orientation
6. 位置：position
Note：1-2: body frame; 3-6: NED frame

Note:

  1. 上述状态量中，只有角速度和加速度的值（angular velocity and accelerations ）是定义在Body frame中，其余状态量是在NED坐标系中，并且采用SI单位制。
  2. kinematics输出的位置信息和simGetGroundTruthEnvironment()接口的位置信息不一定完全相同，kinematics的结果是通过动力学物理引擎计算得到的，具体可以参考AirSim论文
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