RflySim 生态论文案例¶
本页面汇总了 RflySim 生态的代表性学术成果与相关预印本，涵盖统一仿真平台设计、动力系统建模与优化、硬件在环测试与可信度评估、无人机数字孪生、集群导航、故障诊断、声视觉感知及视觉拦截等方向。预印本在“期刊/会议”字段中明确标注。
2026年¶
📄 Physics-Aware Multichannel Vector Quantization for Hybrid Digital Twin Modeling of UAV Systems¶
作者: Tu, Jinhu; Nian, Xiaohong; Dai, Xunhua
期刊/会议: IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems
链接: 🔗 10.1109/TAES.2025.3639005 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Digital twins Vector quantization UAV physics-aware learning
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大数据技术推动工业制造变革，AI 驱动的数字孪生成为低空经济发展关键，无人机系统更是核心载体，但传感器数据异构、时空分布复杂及系统动力学非线性交互，给构建可靠的无人机数字孪生带来挑战。本文提出融合物理先验与数据驱动学习的无人机数字孪生建模融合框架，以多通道软向量量化机制实现多源数据鲁棒融合，嵌入物理感知约束并采用混合融合策略提升模型泛化能力。基于仿真与真实飞行数据的大规模数据集，在多类无人机飞行任务中验证，该方法保真度与鲁棒性均优于传统模型。本研究提出具强融合能力的可扩展无人机数字孪生架构，还提供开源工具，助力动态环境下自进化数字孪生系统发展。
📄 RflySimSaT: A Safety Assessment Platform for UAVs Based on Hardware-in-the-Loop Simulation¶
作者: Dai, Xunhua; Tu, Jinhu; Chen, Yong; Quan, Quan
期刊/会议: IEEE Transactions on Automation Science and Engineering
链接: 🔗 10.1109/TASE.2026.3651543 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Safety assessment HIL simulation UAV Testing
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无人机引领未来数字智慧城市发展，但其安全问题备受关注。现有机器人仿真器虽为无人机提供高效低成本的测试环境，却缺乏全面的安全设计考量与用户测试需求。为此，本文提出无人机专用安全测试平台 RflySimSaT，该平台覆盖全生命周期安全因素，集成多故障测试场景、高保真动态模型等核心模块，模块化架构支持即插即用的跨平台闭环安全测试，用户仅需提供飞行器与飞控，即可依托平台完成开发、部署等全流程工作。本文通过多测试用例验证了平台的可信度与通用性，还提供配套手册、案例及故障数据集，该平台已开源并公布了代码地址。
📄 High-Precision Modeling of UAV Electric Propulsion for Improving Endurance Estimation¶
作者: Dai, Xunhua; Liu, Wei; Chen, Yong
期刊/会议: Drones
链接: 🔗 10.3390/drones10020080 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Electric propulsion Propeller modeling Endurance estimation UAV
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本文提出用于提升无人机续航估计精度的电推进建模框架，将 Buckingham π 定理的量纲分析与数据驱动参数拟合相结合，利用有限实验数据预测不同来流条件下的螺旋桨推力、功率与电机电流。方法通过 UIUC 螺旋桨数据库、自建来流试验台及真实飞行测试验证，在多种螺旋桨与电机配置下兼顾预测精度和计算效率，并公开模型与实现代码。
📄 Audio-Visual Fusion Sim2Real Platform for Anti-UAV Detection and Tracking¶
作者: Nian, Xiaohong; Liu, Haolun; Dai, Xunhua
期刊/会议: Drones
链接: 🔗 10.3390/drones10030190 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Audio-visual fusion Anti-UAV Detection and tracking Sim2Real
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本文提出面向反无人机检测与跟踪的声视觉融合 Sim2Real 平台，将基于到达时间差（TDOA）的声源定位与深度学习视觉检测相结合，通过时空同步实现声学引导视觉关注、视觉修正声学估计的互补感知。平台支持烟雾、雾等可配置遮挡条件下的算法验证，并通过真实四旋翼实验检验仿真到实际环境的迁移效果，提升视觉退化场景中的目标跟踪连续性。
📄 Skeletal Virtual Tube Generation for Urban UAV Swarm Navigation¶
作者: Dai, Xunhua; Liao, Yuting
期刊/会议: 2026 IEEE 20th International Conference on Control and Automation (ICCA)
链接: 🔗 10.1109/ICCA69928.2026.11618197 📥 查看 PDF（作者稿） 📚 BibTeX 引用
关键词: Virtual tube Generalized Voronoi Diagram Urban navigation UAV swarm
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本文面向复杂城市空域中的无人机集群导航，提出基于广义 Voronoi 图骨架的虚拟管道生成框架。方法在不同高度层提取环境几何骨架，通过跨层拓扑关联构建三维全局航路，并生成连续的安全管道空间。实验表明，该方法能够兼顾障碍物安全间隔与规划效率，为城市环境中的大规模集群导航提供路径和空间约束。
📄 Safe Swarm Navigation in Constrained Environments: A Dynamic Tube-Based Distributed MPC Approach¶
作者: Dai, Xunhua; Liao, Yuting; Chen, Yong
期刊/会议: Drones
链接: 🔗 10.3390/drones10030177 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: UAV swarm Dynamic tube Distributed MPC Collision avoidance
📖 展开查看摘要 (Abstract)
本文针对受限环境中的无人机集群安全导航，提出结合动态虚拟管道与分布式模型预测控制的方法。通过调整管道边界适应动态障碍物，在保持可通行空间连通性的同时，利用预测风险触发约束激活，减少不必要的保守约束和计算开销。实验验证了该方法在高密度集群场景下的避碰能力、空间利用率与可扩展性。
📄 Digital Twin-Guided Spatiotemporal Graph Representation Learning for Reliable UAV Fault Diagnosis Under Complex Flight Conditions¶
作者: Tu, Jinhu; Nian, Xiaohong; Dai, Xunhua
期刊/会议: IEEE Internet of Things Journal
链接: 🔗 10.1109/JIOT.2026.3709310 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Digital twin Fault diagnosis Spatiotemporal graph Health management
📖 展开查看摘要 (Abstract)
本文针对复杂飞行条件下机动扰动与故障特征易混淆的问题，提出孪生一致性时空图诊断网络（TC-SGDN）。方法将数字孪生节点与物理传感器节点共同构建时空图，以动态健康基准描述传感器关联及偏差，并通过一致性注意力和时间编码抑制非故障扰动。真实与仿真无人机数据上的实验验证了诊断精度、鲁棒性和跨工况泛化能力。
📄 Planar-Sector LOS Guidance for Interception of Agile Targets with Lifting-Wing Quadcopters¶
作者: Liu, Linkai; Yang, Kun; Zou, Han; Min, Chen; Lv, Shuli; Wang, Shuai; Quan, Quan
期刊/会议: arXiv 预印本（v2，2026）
链接: 🔗 arXiv:2606.10639v2 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Lifting-wing quadcopter PS-LOS guidance Visual interception Delay compensation
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本文提出面向升力翼四旋翼的平面扇区视线（PS-LOS）制导方法及配套控制系统，用于基于图像的敏捷目标拦截。该方法通过放宽传统圆锥视线约束保留机动能力，并结合延迟补偿扩展卡尔曼滤波和协调转弯控制，提供连续的目标状态估计与适配升力翼动力学的控制指令。室外飞行实验展示了对不规则机动目标的拦截能力。
2025年¶
📄 RflyMAD: A dataset for multicopter fault detection and health assessment¶
作者: Xiangli Le; Bo Jin; Gen Cui; Xunhua Dai; Quan Quan
期刊/会议: The International Journal of Robotics Research
链接: 🔗 10.1177/02783649241305153 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: fault detection health assessment multicopter dataset
📖 展开查看摘要 (Abstract)
本文发布由可靠飞行控制团队研发的开源多旋翼无人机异常数据集 RflyMAD，助力故障检测隔离、健康评估等领域研究。该数据集达 114GB，适配 ADS-33 文件设置 6 种飞行状态、11 类故障，覆盖无人机不同机动度故障场景，共 5629 个飞行案例，故障时长 3283 分钟，含半实物、硬件在环仿真及实飞数据，结合 RflySim 仿真与实飞数据提升数据量质。每个案例含多类日志及处理文件，可作为故障诊断方法基准，迁移学习验证了仿真与实飞数据的支撑关系。数据集及工具已开源，未来将补充基线方法、更新数据与故障类型。
📄 RflySim ToolChain: A Rapid Development and Validation Toolchain for Intelligent Unmanned Swarm Systems¶
作者: Dai, Xunhua; Tu, Jinhu; Quan, Quan
期刊/会议: Journal of Systems Engineering and Electronics
链接: 🔗 10.23919/JSEE.2025.000079 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: swarm MBD hardware-in-the-loop Sim2Real
📖 展开查看摘要 (Abstract)
智能无人集群系统的开发极具复杂性，现有仿真器与工具链多聚焦孤立技术要素，缺乏系统整合的全流程技术与开发需求支撑，且未能有效解决算法仿真与实际部署的衔接难题，亟待覆盖其全生命周期的综合解决方案。本文提出 RflySim ToolChain 工具链，专为助力该系统的快速开发与验证设计，其采用基于模型的设计方法，集成建模仿真、底层可靠控制、上层集群决策模块，覆盖从建模仿真到测试部署的全流程。该工具链可满足全栈开发需求，模块化架构与配套 SDK 能实现开发流程自动化，高保真模型和可靠架构还实现了仿真到实际部署的无缝衔接。本文亦通过系列案例验证了该工具链的应用实效。
📄 A Digital Twin-Level Modeling Framework for UAV Control Algorithm Optimization and Sim2real¶
作者: Dai, Xunhua; Gong, Wanqi; Tu, Jinhu; Chen, Yong
期刊/会议: Unmanned Systems（2025 年在线发表）
链接: 🔗 10.1142/S2301385027500464 📥 查看 PDF（作者稿） 📚 BibTeX 引用
关键词: Digital twin Control optimization LQR Sim2Real
📖 展开查看摘要 (Abstract)
本文提出用于无人机控制算法优化与仿真到实机迁移的数字孪生级建模框架，集成多旋翼动力学、推进与气动特性、地面交互、传感器仿真以及硬件在环验证。通过实验数据校验各子系统，并结合仿真数据与少量实飞数据设计 LQR 控制器，在风扰动条件下与 PX4 及人工调参 PID 控制器进行比较。结果表明，该框架有助于提升控制性能并减少调参与实飞测试成本。
📄 Line-of-Sight-Constrained Multicopter Interceptability¶
作者: Yang, Kun; Bai, Chenggang; Quan, Quan
期刊/会议: Journal of Guidance, Control, and Dynamics
链接: 🔗 10.2514/1.G008527 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Multicopter Line-of-sight constraint Interceptability Visual interception
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本文研究多旋翼在保持目标处于相机视场内的条件下是否具备完成拦截的能力，提出全局视线约束可拦截性及可拦截度（DOI）的定义与计算方法。通过结合目标最优策略、相对运动动力学和可用推力方向，建立解析判据，并给出相机安装角与飞行器构型的设计建议。数值仿真和真实飞行实验验证了理论判据及构型设计方法的有效性。
2023年¶
📄 Lifting-wing Quadcopter Modeling and Unified Control¶
作者: Quan, Quan; Wang, Shuai; Gao, Wenhan
期刊/会议: arXiv 预印本（v1，2023）
链接: 🔗 arXiv:2301.00730v1 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Lifting-wing quadcopter Unified control Control allocation HIL simulation
📖 展开查看摘要 (Abstract)
本文介绍兼具多旋翼垂直起降能力与固定翼前飞效率的升力翼四旋翼，建立同时考虑旋翼推力和机翼气动力的动力学模型，并设计覆盖悬停、过渡与前飞阶段的统一控制器。通过基于优化的控制分配协调旋翼与气动执行机构，在保持控制能力的同时降低能耗，并利用硬件在环仿真验证飞行器构型与控制方法。
2021年¶
📄 RflySim: A Rapid Multicopter Development Platform for Education and Research Based on Pixhawk and MATLAB¶
作者: Shuai Wang, Xunhua Dai, Chenxu Ke and Quan Quan
期刊/会议: 2021 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS)
链接: 🔗 10.1109/ICUAS51884.2021.9476786 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Education Pixhawk MATLAB/Simulink HIL
📖 展开查看摘要 (Abstract)
本文提出并开源基于Pixhawk/PX4与MATLAB/Simulink的无人机教育研究快速开发平台RflySim。该平台采用基于模型的开发理念，通过软件在环仿真与硬件在环仿真加速物理部署。通过该平台，初学者和开发者可直接使用MATLAB/Simulink设计低级控制器（如姿态控制、位置控制）和高级应用程序（如决策、自主飞行），随后将其部署到多旋翼自动驾驶系统中，无需接触底层C/C++代码。通过三个演示案例验证了该平台的易用性与高效性。
📄 RFlySim: Automatic test platform for UAV autopilot systems with FPGA-based hardware-in-the-loop simulations¶
作者: Xunhua Dai, Chenxu Ke, Quan Quan, Kai-Yuan Cai
期刊/会议: Aerospace Science and Technology
链接: 🔗 10.1016/j.ast.2021.106727 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Automatic test HIL simulations FPGA Autopilot systems
📖 展开查看摘要 (Abstract)
无人驾驶飞行器（UAV）上的自动驾驶系统是安全关键系统，其可靠性和安全性要求日益提高。然而，测试复杂的自动驾驶控制系统是一项耗时耗资的任务，需要在整个开发阶段进行大量户外飞行测试。本文提出一种室内自动测试平台，旨在显著提升无人机的开发效率与安全等级。首先构建适用于各类飞行器的统一建模框架，便于共享通用建模经验与故障模式。随后通过自动代码生成与基于FPGA的硬件在环仿真技术，开发实时仿真平台以确保软硬件层面的仿真可信度。最后提出自动测试框架，可在实时飞行仿真中遍历测试用例并评估测试结果。验证环节通过对比仿真结果与实验数据验证平台的精确度与可信度，多旋翼飞行器的成功应用案例证实了该平台的实用性。
📄 Simulation Credibility Assessment Methodology With FPGA-based Hardware-in-the-Loop Platform¶
作者: Dai, Xunhua; Ke, Chenxu; Quan, Quan; Cai, Kai-Yuan
期刊/会议: IEEE Transactions on Industrial Electronics
链接: 🔗 10.1109/TIE.2020.2982122 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Simulation credibility FPGA Hardware-in-the-loop Assessment methodology
📖 展开查看摘要 (Abstract)
本文提出基于 FPGA 硬件在环平台的仿真可信度评估方法，通过模拟传感器芯片，使被测控制系统在仿真与真实实验中保持一致的软硬件运行环境。在此基础上，从性能、时域响应和频域响应等角度设计评估指标，将不同指标归一化并融合为整体可信度评价。多旋翼系统的仿真与实验证明了该平台及评估方法的有效性与实用性。
2019年¶
📄 An Analytical Design-Optimization Method for Electric Propulsion Systems of Multicopter UAVs With Desired Hovering Endurance¶
作者: Dai, Xunhua; Quan, Quan; Ren, Jinrui; Cai, Kai-Yuan
期刊/会议: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics
链接: 🔗 10.1109/TMECH.2019.2890901 📥 查看 PDF 📚 BibTeX 引用
关键词: Electric propulsion Design optimization Hovering endurance Multicopter
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本文针对多旋翼动力系统依赖经验选型与反复试验的问题，提出满足目标悬停续航要求的解析设计优化方法。通过分别建立螺旋桨、电机、电调和电池模型，将整体优化问题分解为若干可求解的子问题，获得各部件的最优参数，再从产品数据库中匹配实际器件。实验与统计分析验证了方法的有效性，并展示了用于在线动力系统选型服务的实用价值。