An Open-source Hardware/Software Architecture and Supporting Simulation Environment to Perform Human FPV Flight Demonstrations for Unmanned Aerial Vehicle Autonomy

现在，小型多旋翼无人机，主要是四轴飞行器，在空中自主研究中无处不在，包括作为大型飞行器的缩小模型，例如城市空中移动的垂直起降飞行器。在各种研究用例中，第一人称视角的遥控飞行实验可用于收集有关人类驾驶员如何驾驶此类飞行器的数据，这些数据可以用于比较、对比、验证或训练自主飞行代理。虽然这可能是独特的受益，特别是对于研究在人-无人机共享空间等上下文复杂且安全关键的环境中的无人机操作，但缺乏廉价和开源的硬件/软件平台，这些平台提供这种功能以及对底层控制软件和数据的低级访问仍然有限。为了解决这一差距并显着降低使用无人机进行人类引导自主研究的障碍，本文提出了一种基于F450四轴飞行器框架的廉价自制四轴飞行器平台的开源软件架构。该设置使用两个摄像头提供双视角FPV和开源飞行控制器Pixhawk。使用基于Python的Kivy库开发的底层软件架构可在地面站计算机上同步记录遥测、GPS、控制输入和相机帧数据。由于成本（时间）和天气限制通常限制了物理室外飞行实验的数量，因此本文还提供了一种基于AirSim/Unreal Engine的模拟环境和图形用户界面，即数字孪生，通过Pixhawk飞行控制器提供硬件在环设置。我们通过一组不同的物理FPV飞行实验和相应的数字孪生飞行测试来展示整个框架的可用性和可靠性。

本论文旨在解决无人机人机协同飞行自主性研究中硬件和软件平台不足的问题，提出一种基于F450 Quadcopter Frame的开源软件架构和自主设计的四旋翼平台，以及一个基于AirSim/Unreal Engine的仿真环境，以降低无人机人机协同飞行自主性研究的门槛。

本论文提出了一种基于F450 Quadcopter Frame的开源软件架构和自主设计的四旋翼平台，以及一个基于AirSim/Unreal Engine的仿真环境，实现了无人机人机协同飞行自主性研究中的双视角一人机视角（FPV）数据采集和记录，并提供了硬件在环（HIL）的测试平台。

本论文的亮点包括：使用了基于F450 Quadcopter Frame的开源软件架构和自主设计的四旋翼平台，提供了基于AirSim/Unreal Engine的仿真环境，实现了无人机人机协同飞行自主性研究中的双视角一人机视角（FPV）数据采集和记录，并提供了硬件在环（HIL）的测试平台。实验设计多样化，包括物理实验和数字孪生实验。

在相关研究方面，最近的研究包括：1.《Towards Human-in-the-Loop Swarm Robotics: A Review》；2.《A Survey of Human-in-the-Loop Robotics》；3.《Human-in-the-Loop Control of Multi-Robot Systems: A Review》。