一、AirSim概述

1.1什么是AirSim

AirSim是一款基于虚幻引擎构建的无人机、汽车等模拟器（我们现在还有一个实验性的Unity版本）。它是开源的，跨平台的，并支持使用流行的飞行控制器（如PX4和ArduPilot）进行软件在环仿真，并使用PX4进行硬件在环模拟，以进行物理和视觉上逼真的模拟。它是作为虚幻插件开发的，可以简单地放入任何虚幻环境中。

AirSim 是作为虚幻游戏引擎的插件而存在的，适配基于虚幻引擎搭建的环境。目前AirSim也有一个实验版本的插件适用于Unity引擎。得益于游戏引擎优秀的视觉渲染效果，AirSim 仿真平台在具备物理仿真的同时也具备了逼真的视觉仿真效果，这是其一大亮点，非常适用于进行基于深度学习等视觉AI仿真验证。AirSim提供了很多API接口，用于读取数据、控制车辆、控制天气等，AirSim的开发者希望这个平台能够帮助研究人员用于深度学习、计算机视觉、强化学习等人工智能相关的研究，适用于无人机、无人驾驶、机器人等领域的应用。

AirSim的官方网站是：AirSim官网文档，在其官方网站中有更详细的介绍和说明文档。

二、AirSim安装

2.1 软件版本环境

• AirSim版本：v1.8.1（截止2023年1月）
• 虚幻引擎版本：4.27.2（依旧还是UE4）
• Visual Studio版本：Visual Studio Community 2022
• Python版本：Python3.7
• Windows版本：Win10

2.2 安装Visual Studio集成开发环境

安装地址：VisualStudio2022安装地址
安装Visual Studio 2022确保在安装VS2022的时候选择C++和Windows10 SDK 10.0.19041的桌面开发，并在“单个组件”选项卡下选择最新的.NET Framework SDK。

为了保险起见，在这里我把最新的和官网要求的版本都下了。

因为这个是跟引擎有关的，我怕会引起问题，所以也一并下载了。（因为当时按照网上的另外一个教程：VS2019和UE4.26的时候一直编译不成功）

最新版的.NET Framework，因为需要用python做AirSim仿真，因此需要与AirSim建立通信。

2.3 安装UnrealEngine

官方地址：虚幻引擎安装地址
点开链接后，可以看到右上角有一个下载按钮（下载之前要先注册一个EpicGames的账号）：

点击下载后，可以看见下载界面。

这里下载的是Epic Games启动程序的安装包。Epic Games启动程序是用来管理Epic旗下各个产品的启动器，里面包括了对Unreal Engine不同版本、虚幻商城、游戏库等的管理。
安装完程序打开后，如下图所示：

新版的AirSim要求的引擎需要>=4.27，但是我下载了UE5在验证block环境的时候就报错，生成不了sln，直接就进坑了。（5.0和5.1都是这样）所以我就下了4.27的引擎，结果蛮顺利的。

2.4 AirSim源码下载编译

AirSim源码目前仍在完善和丰富中，为了方便以后实时更新 AirSim 源码，建议使用 git 工具来下载。git工具可以在其官方网站中免费下载: git下载链接，选择下载 Windows 版本，下载完成后，双击安装，安装过程全部选择默认设置即可。

点开任务栏的放大镜，搜索Developer Command Prompt for VS 2022，如下图所示。

打开之后，切换到你期望下载AirSim的路径。然后输入

git clone https://github.com/Microsoft/AirSim.git

由于我已经安装过了，这里便不再演示下载。下载完成后，输入指令CD AirSim进入到AirSim的文件夹中，继续输入指令build.cmd。（编译的时间会有点久，耐心等待就就好。）

v1.8.1的AirSim编译完后会自动在“Airsim\Unreal\Environments\Blocks”文件夹中生成一个Block.sln的工程文件。（前面的版本需要CD 切换到Airsim\Unreal\Environments\Blocks目录下输入update_from_git.bat才会生成工程文件）。
PS：记得打开Epic Games，因为在编译最后会出现一个弹窗让你选择引擎版本的，这里我们选的是4.27。
如果没有出现弹窗并且没有出现Block.sln工程文件的，那么我们就手动Switch一下。

找到以下文件，右键点击Blocks.uproject ，点击下图红框中的命令


然后就会出现Blocks.sln工程文件了。

2.5 验证AirSim是否与Unreal引擎建立连接

双击Blocks.sln，打开如下图所示

选择DebugGame Editor和Win64，并且将Blocks设置为启动项目然后点击上方的本地Windows调试器按钮开始调试（F5）

block的环境非常简单，所以渲染也非常快。点击播放后如果出现了四旋翼，则证明了AirSim环境配置成功。

三、AirSim仿真

3.1 下载Unreal环境及环境配置

打开Epic Games，选中Samples往下拉，找到Virtual Studio环境。

在安装地址可以找到VirtualStudio.uproject，双击打开就会出现UE的编辑器。

为了能够使用Visual Studio 编译.sln文件，我们需要创建自己的类，因为Unreal要求至少有一个源文件。具体步骤是：点击左上角的文件，选择新建C++类，父类选择无，所以直接点击下一步；命名和路径都是默认就好了，直接点击创建类。这时Unreal会自动编译C++代码，然后会自动打开Visual Studio。到此VirtualStudio环境就下载安装好了。

3.2 在环境中添加AirSim插件

这一步我们把airsim作为一个插件，安装到环境中，然后环境就可以认识这个插件，并可以使用airsim。先把上一步打开的Unreal 编辑器和Visual Studio都关闭。找到上一篇文章中下载的AirSim文件夹，找到AirSim\Unreal\Plugins文件夹，并将其复制到VirtualStudio.uproject文件夹中。


然后双击打开VirtualStudio.uproject.uproject。会自动弹出如下窗口，点击是。

然后等待编译完成就好啦。

3.3 Python环境的搭建

win10系统下 python 环境的搭建包括安装和配置编辑器和解释器，编辑器是用来写python代码的，解释器是用来编译运行python程序的。
(本文的python环境配置，不需要手动添加环境变量。)

3.3.1 解释器Anaconda环境的安装和配置

非常推荐使用Anaconda对python环境进行管理，Anaconda中可以创建很多不同的虚拟环境，每个环境之间不会相互干涉，而且可以对每个环境进行个性化的配置，比如针对AirSim可以创建一个环境，在这个环境中只安装AirSim仿真需要使用的第三方包和通用库，而不会对其他的环境造成影响。

首先下载安装Anaconda，打开官网.

下载好之后，双击打开安装包，按照提示一步一步安装即可。安装成功后，就可以针对AirSim专门配置一个虚拟环境。安装完成后，可以看到开始菜单中多了几个应用：

• Anaconda Navigator ：图形用户界面，用于管理python环境。
• Anaconda PowerShell Prompt：命令行工具。
• Jupyter notebook：基于web的交互式计算环境，可以编辑markdown，用于展示数据分析的过程。
• qtconsole ：一个可执行 IPython 的仿终端图形界面程序。
• spyder ：一个使用Python语言、跨平台的、科学运算集成开发环境。

我们仅使用 Anaconda Navigator 和 Anaconda PowerShell Prompt 这两个应用即可。
打开Anaconda Navigator，点击左侧的Environments，这时中间已经有了一个基础环境base(root)。我们新建一个环境，专门用来做AirSim仿真。点击中间下面的Create，这时会跳出来一个窗口，输入一个自己喜欢的命名（我这里是airsim），选择Python版本为3.7，然后点击Create。创建好之后，环境中会包含一些基本的python库和包。

numpy是一个矩阵运算库，对于矩阵向量等运算非常方便使用，基本上做估计控制等算法都需要用到。以numpy为例，介绍一下安装过程。将库的选择选为all(右边左上角)，在右上角的搜索框中搜索numpy，在下面的众多库中找到numpy，并在其前面的小框中打上勾，最后点击下面的Apply即可。


下面安装airsim需要用到的第三方库。很多第三方库在这里是搜索不到的，可以使用pip工具来安装。

点击环境名右面的绿色小三角，选择Open Terminal，就可以打开命令行了。

// 在命令行输入
 pip install msgpack-rpc-python
 pip install airsim

等待安装完成即可。

3.3.2 编辑器pycharm的安装与配置

Pycharm 是一款非常好用的python编辑器，具有代码高亮、自动补全、纠错等非常实用方便的功能，界面也很美观。Pycharm 有教育版，如果使用edu结尾的邮箱注册账号就可以免费使用，这是广大学生的一个非常重大的福利。

首先到官网下载软件安装包。社区版是免费的，教育版对于用结尾是edu的邮箱注册的用户是免费的，专业版是收费的。推荐使用教育版，但是社区版的功能也是完全够用的。下载好之后，双击打开安装包开始安装，根据提示一步一步安装即可。打开pycharm之后，会有选择主题的提示，建议选择暗色，能保护眼睛。

打开pycharm，点击 Create New Project， 先选择新建工程的路径，然后选择解释器为上一节创建的Anaconda环境，但是注意这里第一次选择的时候是没有这个环境选项的。比如我这里应该选择 Python 3.7 (airsim)解释器，但是下拉框中并没有这个环境选项，所以需要添加进来，让Pycharm知道有Anaconda 这个环境。


添加完成后就可以看到如下显示：

四、仿真控制无人机起飞降落

4.1 流程演示

在新建的python工程中新建一个python file

"""
test python environment
"""
import airsim

# connect to the AirSim simulation
client = airsim.MultirotorClient()
client.confirmConnection()

# get control
client.enableApiControl(True)

# unlock
client.armDisarm(True)

# Async methods returns Future.Call join() to wait for task to complete.
client.takeoffAsync().join()
client.landAsync().join()

# lock
client.armDisarm(False)

# release control
client.enableApiControl(False)

下面就是运行程序的步骤。需要先将AirSim运行起来，然后再运行python程序。
首先将C:\Users[用户名]\Documents\AirSim路径下的settings.json文件中的仿真模式改为多旋翼。

 {
   "SettingsVersion": 1.2,
   "SimMode": "Multirotor"
 }

然后打开之前安装好的VirtualStudio环境目录下的VirtualStudio.sln文件；Visual Studio中，选择编译模式为 Debug Game Editor和win64，确保VirtualStudio为启动项目。然后点击 本地Windows调试器，这时会打开 Unreal Editor；在 Unreal Editor 中点击 播放(Play) 按钮，仿真就会运行。

启动完成后，修改UE的游戏模式为AirSimGameMode，然后点击工具栏的运行。

这时候就会出现一架小的无人机。

最后在Pycharm中运行刚刚写好的程序。在右上角选择自己的程序，然后点击运行。

就可以看到仿真中的四旋翼会先飞到一定高度，然后降落。

4.2 代码讲解

import airsim

使用 python 做AirSim仿真，必须导入 airsim 包。

 client = airsim.MultirotorClient()

与 AirSim 建立连接，并且返回句柄（client），后面的每次操作需要使用这个句柄。python 与 AirSim 的通信机制在下一节中讲解。

如果是汽车仿真，代码是：

client = airsim.CarClient();

 client.confirmConnection()

检查通信是否建立成功，并且会在命令行中打印连接情况，这样你就可以潘丹程序是否和AirSim连接正常，如果连接正常会在命令行中打印如下：

Connected!
Client Ver:1 (Min Req: 1), Server Ver:1 (Min Req: 1)

 client.enableApiControl(True)    # get control
 client.enableApiControl(False)   # release control

因为安全问题， API 控制默认是不开启的，遥控器有全部的控制权限。所以必须要在程序中使用这个函数来获取控制权。遥控器的操作会抢夺 API 的控制权，同时让 API 获取的控制权失效。使用 isApiControlEnabled 可以检查 API 是否具有控制权。

可能会有人问为什么最后结束的时候要释放控制权，反正都是仿真，结束仿真就好了。但是实际上 AirSim 的开发人员希望在仿真中的代码可以直接移到现实中使用，所以对于现实中的安全问题，还是开发了获取控制权和释放控制权、解锁和上锁等一系列安全操作。

 client.armDisarm(True)    # 解锁
 client.armDisarm(False)   # 上锁

使用这个函数可以让无人机的旋翼启动和停止旋转。

 client.takeoffAsync().join()   # 起飞
 client.landAsync().join()      # 降落

这两个函数可以让无人机起飞和降落。

很多无人机或者汽车控制的函数都有 Async 作为后缀，这些函数在执行的时候会立即返回，这样的话，虽然任务还没有执行完，但是程序可以继续执行下去，而不用等待这个函数的任务在仿真中有没有执行完。

如果你想让程序在这里等待任务执行完，则只需要在后面加上.join()。本例子就是让程序在这里等待无人机起飞任务完成，然后再执行降落任务。

新的任务会打断上一个没有执行完的任务，所以如果takeoff函数没有加 .join()，则最后的表现是无人机还没有起飞就降落了，无人机是不会起飞的。

4.3 python与AirSim的通信机制

AirSim API 使用的是 TCP/IP 中的 msgpack-rpc 协议，这是一种网络通信协议，所以如果设置正确，其实可以用两台不同的电脑来做仿真，一台跑 AirSim 和 Unreal，另一台跑 python程序。

当 AirSim 开始仿真的时候，会打开 41451 端口，并监听这个端口的需求。python 程序使用 msgpack serialization 格式向这个端口发送 RPC 包，就可以与AirSim进行通信了。

如果你的计算机的41451 端口已经被其他程序使用了，那么可以通过 settings 文件改变AirSim使用的端口号。

使用这种网络通信协议的方式，可以将 AirSim 和 python程序隔离，互不干扰。所以不需要修改 AirSim 的任何源代码，就可以满足非常多的仿真需求；而且即使python程序中断了，AirSim 的仿真也可以继续进行。