RflySim Model-仿真模型相关模块库¶

RflySim Model 库提供了一套完整的无人机仿真建模工具，包括六自由度动力学模型、电机模型、力模型、地面模型以及多种通信接口模块，支持从单无人机到多无人机的全场景仿真。

RflySim 统一建模框架

模块列表¶

动力学模型¶

模块	功能描述
6DOF	六自由度刚体动力学模型，计算无人机位置、速度、姿态、角速度等运动状态
Copter Force Model	多旋翼气动力模型，计算旋翼产生的拉力、扭矩和阻力
Copter Motor Model	多旋翼电机模型，模拟电机动态响应和转速特性
Ground Model	地面交互模型，模拟起落架与地面的接触力和摩擦力

通信接口¶

模块	功能描述
UDP 20100 PX4SIL Recv	PX4SIL UDP 数据接收接口，接收端口 20100 的 PX4 仿真数据
UDP 30100 TrueSim Recv	TrueSim UDP 数据接收接口，接收端口 30100 的高精度仿真数据
UDP 40100 RflyPX4 Recv	RflyPX4 UDP 数据接收接口，接收端口 40100 的 RflySim PX4 数据
PX4SIL IntFloat Send	PX4SIL 整型/浮点数据发送接口，向 PX4 发送整型和浮点型控制数据
PX4 Fault Params Send	PX4 故障参数发送接口，向飞控发送故障注入参数

输出接口¶

模块	功能描述
3D Output	三维可视化输出接口，向 RflySim3D 发送位置和姿态数据
Sensor Output	传感器数据输出接口，输出各类传感器的模拟数据

使用场景¶

单机仿真¶

动力学建模：使用 6DOF 模块搭建无人机刚体动力学模型
电机建模：配合 Copter Motor Model 和 Copter Force Model 构建完整的多旋翼动力系统
地面交互：使用 Ground Model 模拟起落架与地面的接触

硬件在环仿真¶

PX4SIL 接口：使用 UDP 20100/30100/40100 接收模块与 CopterSim 通信
控制数据发送：使用 PX4SIL IntFloat Send 向飞控发送控制指令
三维可视化：使用 3D Output 将仿真数据发送到 RflySim3D 显示

故障注入仿真¶

故障参数发送：使用 PX4 Fault Params Send 向飞控注入各类故障参数
传感器故障：通过 Sensor Output 模拟传感器故障数据

使用注意事项¶

动力学建模¶

参数准确性：6DOF 模块的质量、转动惯量等参数需要与实际无人机匹配，否则仿真结果会失真
坐标系约定：模块使用 NED（北东下）坐标系和机体坐标系，输入输出数据需符合该约定
初始条件：设置合理的初始位置、速度、姿态，避免初始状态冲突导致仿真发散
数值稳定性：仿真步长不宜过大，建议固定步长不超过 1ms，保证数值积分稳定性

通信接口¶

端口配置：UDP 接收/发送模块的端口号需与 CopterSim 配置匹配，避免通信失败
网络设置：确保防火墙允许相应端口的 UDP 通信，特别是多机仿真场景
数据同步：通信模块的采样时间需与 Simulink 模型步长一致，避免数据错位
超时处理：接收模块需设置合理的超时机制，防止因通信中断导致仿真卡死

故障注入¶

参数范围：故障参数需在合理范围内，过大或过小的值可能导致仿真崩溃
故障时机：合理选择故障注入时机，避免在关键控制阶段注入严重故障
恢复机制：设计故障恢复逻辑，测试系统的容错能力和自恢复能力
安全边界：设置仿真安全边界，当状态超出安全范围时自动终止仿真

统一建模接口与模型模板¶

RflySim 综合模型通常由输入接口、动力学/执行机构/环境模块、传感器输出模块和三维显示输出模块组成。接口命名在多旋翼、固定翼、车船、VTOL、直升机和自定义模型之间保持一致，便于替换模型而不修改上层控制链路。

统一输入接口¶

接口	类型	用途
`inPWMs`	PWM/归一化控制量	来自 PX4、遥控器或外部控制器的执行机构输入
`inCopterData`	载具状态结构	用于解锁状态、模式、控制状态和仿真同步
`inFloatsCollision` / `inCollision20d`	浮点数组	碰撞、接触、地形等外部状态
`inSILInts`	8 维 int	软件在环整数输入
`inSILFloats`	20 维 float	软件在环浮点输入
`inFromUE`	UE/RflySim3D 输入	三维场景或传感器返回的交互信息
`TerrainIn15d`	15 维地形输入	地形高度、法向、接触点等地面模型信息
`inCtrlExt` / `inDoubCtrls`	外部控制输入	自定义控制器或上位机输入
`inSIL28d`	28 维 SIL 输入	综合 SIL 模型输入接口

inPWMs 是 16 维执行器控制量输入，数值已归一化到 -1 到 1。它对应飞控回传的 MAVLink mavlink_hil_actuator_controls_t.controls，可在 QGroundControl 的 MAVLink Analyze 工具中查看实时变化。软件在环时，PX4 SITL 通过 TCP 4561++ 系列端口把电机控制指令发送到运动模型；硬件在环时，飞控通过串口把同类 MAVLink 指令送入模型。

inPWMs 与 MAVLink 控制链路

`inCopterData` 关键维度¶

inCopterData 为 32 维 double 数据，前 8 维保存 PX4/CopterSim 状态，9-24 维保存 RC 通道，25-32 维监听 rfly_px4 uORB 消息。

维度	含义
`1`	PX4 解锁标志位
`2`	接收到的 RC 通道总数；无可用 RC 通道时为 0
`3`	仿真模式标志：`0=HITL`，`1=SITL`，`2=SimNoPX4`
`4`	CopterSim 中的 3D fixed 标志位
`5`	PX4 `VTOL_STATE` 标志位
`6`	PX4 `LANDED_STATE` 标志位
`9-24`	`ch1-ch16` RC 通道信号
`25-32`	`rfly_px4` uORB 扩展消息

外部输入结构体¶

inSILInts 和 inSILFloats 通过 30100++2 系列端口输入，是综合模型的重要入口。

struct PX4SILIntFloat {
    int checksum;          // 1234567897
    int CopterID;
    int inSILInts[8];
    float inSILFLoats[20];
};

inFromUE 来自 RflySim3D/RflySimUE5，可用于地面交互、碰撞引擎和蓝图数据回传。

struct UEToCopterDataD {
    int checksum;          // 1234567899
    int CopterID;
    double inFromUE[32];
};

inCtrlExt1-inCtrlExt5 要求输入为 28 维 float，inDoubCtrls 要求输入为 28 维 double，均通过 30100++2 系列端口接收。前者常用于故障注入、参数修改和小规模扩展控制，后者适合综合模型中需要双精度外部输入的场景。

外部控制输入接口

inDoubCtrls 为 28 维 double 输入，适合大场景综合模型仿真：

struct DllInDoubCtrls {
    int checksum;          // 1234567897
    int CopterID;
    double inDoubCtrls[28];
};

`TerrainIn15d` 维度¶

维度	含义
`1`	地形高度，NED 坐标系下向为正
`2`	`haslop`，是否有坡度
`3`	螺距，单位 rad
`4`	偏航，单位 rad
`5`	`hasFric`，是否有摩擦
`6`	`FrictionFactor`，摩擦系数
`7`	`isMoveObj`，是否为移动对象
`8`	`objVx`，移动对象 X 向速度
`9`	`objVy`，移动对象 Y 向速度
`10`	`objYaw`，移动对象偏航角
`11-15`	预留

统一输出接口¶

接口	类型	用途
`HILSensor30d`	30 维 double	IMU、气压计、磁力计等 HIL 传感器输出
`HILGPS30d` / `MavHILGPS`	GPS 数据	GPS 位置、速度、时间戳等输出
`ExtToPX4`	外部到 PX4 数据	发送给 PX4 的扩展控制或传感器数据
`VehileInfo60d`	60 维 double	载具真值状态、姿态、速度和辅助信息
`outCopterData`	CopterSim 输出结构	DLL 模型输出到 CopterSim 或外部日志
`ExtToUE4`	UE 输出	发送给 RflySim3D/UE 的载具位姿、显示和对象信息

HIL 传感器输出¶

HILSensor30d 对应 MAVLink mavlink_hil_sensor_t，包含三轴加速度、三轴角速度、三轴磁场、绝对气压、差压、气压高度、温度和字段更新位掩码。软件在环时通过 TCP 4561++ 系列端口发送给 PX4 SITL；硬件在环时通过串口发送给飞控。

字段	含义	单位或备注
`time_usec`	时间戳	微秒，可同步到 UNIX 时间或系统启动时间
`xacc` / `yacc` / `zacc`	三轴加速度	`m/s^2`
`xgyro` / `ygyro` / `zgyro`	三轴角速度	`rad/s`
`xmag` / `ymag` / `zmag`	三轴磁场强度	高斯
`abs_pressure`	绝对气压	毫巴
`diff_pressure`	差压或空速相关气压	毫巴
`pressure_alt`	气压高度	米
`temperature`	温度	摄氏度
`fields_updated`	更新字段位掩码	位 0 对应 `xacc`，位 12 对应温度，位 31 表示仿真中完成完整状态重置

HIL GPS 输出¶

HILGPS30d / MavHILGPS 对应 MAVLink mavlink_hil_gps_t，包含经纬高、水平/垂直精度、地速、NED 速度、地面航向、定位状态和可见卫星数量。

字段	含义	单位或备注
`time_usec`	时间戳	微秒
`lat` / `lon`	WGS84 纬度、经度	`1e-7 deg`
`alt`	海拔高度	毫米，向上为正
`eph` / `epv`	水平/垂直定位精度	厘米，未知时为 `65535`
`vel`	GPS 地速	`cm/s`，未知时为 `65535`
`vn` / `ve` / `vd`	NED 北、东、地速度	`cm/s`
`cog`	地面航向	`0.01 deg`，未知时为 `65535`
`fix_type`	定位类型	`0-1` 无定位，`2` 二维定位，`3` 三维定位
`satellites_visible`	可见卫星数	未知时为 `255`

真值与日志输出¶

VehileInfo60d 包含载具 ID、类型、仿真时间、NED 速度、NED 位置、欧拉角、四元数、电机转速、机体系加速度、机体系角速度和 GPS 位置。outCopterData 为 32 维 double 自定义日志输出，可写入本地 CopterSim CSV 日志，也可通过 30101 系列端口输出到外部程序。

字段	含义	维度
`copterID`	无人机 ID	1
`vehicleType`	载具类型	1
`runnedTime`	当前仿真时间戳	1
`VelE`	NED 坐标系速度，北、东、下	3
`PosE`	NED 坐标系位置，北、东、下	3
`AngEuler`	滚转、俯仰、偏航欧拉角	3
`AngQuatern`	姿态四元数	4
`MotorRPMS`	1-8 号电机转速	8
`AccB`	机体系三轴加速度	3
`RateB`	机体系三轴角速度	3
`PosGPS`	经度、纬度和高度	3

outCopterData 输出到本地日志前，需要在 C:\PX4PSP\CopterSim 下创建对应飞机编号的 CopterSim*.csv 文件，其中 * 为飞机 ID。

固定翼模型模板¶

固定翼模型的核心是把舵面、电机、气动状态和环境扰动转换为机体系力/力矩，再由 6DOF 模块积分得到载具运动。

模块	说明
`ControlChannelMappingModel`	将飞控通道映射到舵面和油门
`Actuator Model`	舵机动态、限幅、死区和速率限制
`Motor Model`	螺旋桨推力、反扭矩、转速动态
`GroundSupportModel`	地面支撑、滑跑、接地和碰撞处理
`Weather Model`	风速、风向、阵风和空气密度
`Aerodynamic Forces and Moments`	升力、阻力、侧力和三轴气动力矩
`6DOF`	刚体六自由度积分
`3DOutput` / `SensorOutput`	三维显示输出和飞控传感器输出

气动力计算通常按空速、迎角、侧滑角、气动系数、动压、舵面偏转和力臂依次计算，最后与发动机推力、重力、地面力和扰动力合成为 6DOF 输入。

固定翼模型的典型子模块实现顺序为：读取模型参数，映射 inPWMs 舵面/油门通道，计算舵机动态响应，结合空速计算动力系统推力，计算空气密度和气动状态，再将气流坐标系下的力/力矩转换到机体系并输入 6DOF。

最小模型模板¶

最小模型模板适合快速搭建新的载具动力学。它保留与 RflySim/PX4 对接所需的最小输入输出，并将执行机构、力/力矩、地面和传感器模块拆成可替换子系统。

模块	作用
`Motor Model`	将控制输入转换为执行机构输出
`Force and Moment Model`	根据执行机构、重力、环境和载荷计算总力/力矩
`GroundSupport`	地面高度、接地判断和支撑反力
`6DOF`	姿态、速度、位置积分
`SensorOutput`	生成 HIL 传感器数据
`GPS Model`	生成 GPS 位置、速度和时间戳
`Environment Model`	风、空气密度、扰动等环境输入

最小系统模板中，MotorNonlinearDynamic1~8 分别描述每个电机的非线性动态过程。静态过程把 PWM/油门转换为期望转速，动态过程用电机响应时间常数逼近期望转速；Force and Moment Model 再根据电机布局、旋向和力臂计算总拉力与三轴力矩。

Gazebo 模型接口模块¶

模块	说明
`ESC_ALL` / `ESC`	电调响应、限幅和电机命令转换
`MOTOR_ALL` / `MOTOR`	电机转速、推力和反扭矩模型
`LIFTDRAG_ALL` / `LIFTDRAG`	升阻力气动模型

转换 Gazebo 模型时要统一坐标系、单位、转动方向、通道顺序和力矩正方向。

Simulink/DLL 与 ROS 转发¶

综合模型可以通过 Simulink 或 DLL 与 ROS 系统交换数据。关键数据结构包括：

数据结构	大小	方向	说明
`SOut2Simulator`	168 字节	Simulink/DLL 到仿真器	综合模型输出状态、传感器或控制数据
`SILIntFloat`	120 字节	仿真器/ROS 到 Simulink/DLL	8 个整数和 20 个浮点输入

运行时通常先启动 PX4、CopterSim、RflySim3D 和综合模型，再由综合模型监听 20100/30100/40100 系列端口，将状态或传感器结果转发到 ROS 话题，并接收 ROS 节点回写的控制或任务结果。

RflySim Model-仿真模型相关模块库¶

模块列表¶

动力学模型¶

通信接口¶

输出接口¶

使用场景¶

单机仿真¶

硬件在环仿真¶

故障注入仿真¶

使用注意事项¶

动力学建模¶

通信接口¶

故障注入¶

统一建模接口与模型模板¶

统一输入接口¶

inCopterData 关键维度¶

外部输入结构体¶

TerrainIn15d 维度¶

统一输出接口¶

HIL 传感器输出¶

HIL GPS 输出¶

真值与日志输出¶

固定翼模型模板¶

最小模型模板¶

Gazebo 模型接口模块¶

Simulink/DLL 与 ROS 转发¶

相关资源¶

`inCopterData` 关键维度¶

`TerrainIn15d` 维度¶