GymFC: 一个通用的无人机飞行控制器调优框架

GymFC: 革新无人机飞行控制的开源框架

在无人机技术快速发展的今天,飞行控制系统的性能直接决定了无人机的飞行能力和稳定性。传统的PID控制器虽然使用广泛,但在复杂环境下往往难以应对。为了突破这一限制,波士顿大学的研究人员开发了GymFC - 一个通过深度强化学习来合成和调优飞行控制器的开源框架。

GymFC的诞生与发展

GymFC最初是由William Koch在其论文《Reinforcement learning for UAV attitude control》中提出的。该研究使用模拟器合成了一种基于神经网络的姿态控制器,其性能超越了传统的PID控制器。自项目初始发布以来,GymFC已经发展成为一个模块化的框架,不仅可以用于合成神经飞行控制器,还可以用于调优传统控制器。

GymFC架构图

GymFC的架构设计灵活而强大。它使用Gazebo作为后端模拟器,通过Google Protobuf消息与数字孪生飞行器模型进行通信。这种设计使得GymFC可以支持各种类型的飞行器,只需配置执行器和传感器的数量即可。

GymFC的核心特性

支持IMU、ESC和电池传感器
飞行器无关性 - 支持任何类型的飞行器,只需配置执行器和传感器数量
数字孪生独立性 - 数字孪生在GymFC外部开发,允许单独版本控制
使用Google protobuf的飞行器数字孪生API,用于发布控制信号和订阅传感器数据
灵活的代理接口,允许开发各种类型的飞行控制系统
支持Gazebo 8、9和11版本,Gazebo插件根据安装版本动态构建

深度强化学习在飞行控制中的应用

GymFC的核心创新在于将深度强化学习应用于飞行控制器的合成。传统的PID控制器需要手动调参,且难以应对复杂的飞行环境。而通过深度强化学习,GymFC可以自动学习最优的控制策略。

在GymFC中,飞行控制器被建模为一个神经网络,通过与模拟环境的持续交互来学习控制策略。奖励函数被设计用来评估控制器的性能,包括姿态稳定性、能耗等因素。通过不断的试错和优化,神经网络控制器逐步提升其性能,最终达到甚至超越人工调优的PID控制器。

Neuroflight: 世界首个神经网络飞行控制固件

GymFC的研究成果直接推动了Neuroflight的诞生 - 这是世界上第一个由神经网络支持的飞行控制固件。Neuroflight将GymFC训练的神经网络控制器部署到实际的飞行硬件上,实现了从仿真到现实的跨越。

Neuroflight的成功证明了GymFC方法的可行性和有效性。它不仅能够稳定飞行,还能执行高难度的特技动作,展现出优于传统控制器的性能。这为未来飞行控制系统的发展指明了新的方向。

GymFC的安装与使用

GymFC的安装相对简单,主要在Ubuntu 18.04系统上进行:

sudo MAKE_FLAGS=-j4 ./install_dependencies.sh
pip3 install .

GymFC需要Gazebo和Dart作为后端模拟器,可以通过提供的脚本install_dependencies.sh来安装这些依赖。

使用GymFC创建一个简单的环境非常直观:

from gymfc.envs.fc_env import FlightControlEnv

class MyEnv(FlightControlEnv):
    def __init__(self, aircraft_config, config=None, verbose=False):
        super().__init__(aircraft_config, config_filepath=config, verbose=verbose)

通过继承FlightControlEnv类,你就可以访问step_sim和reset函数来控制仿真过程。