【AirSim 教程指南】Part 4：无人机物理引擎与动力学模拟（碰撞、风场、传感器噪声、飞行动力学） - 实践

AirSim 教程指南——Part 4：无人机物理引擎与动力学模拟（碰撞、风场、传感器噪声、飞行动力学）

面向准备进行 真实无人机仿真、控制算法验证（MPC / PID / RL） 的开发者
全面解析 AirSim 如何模拟无人机的动力学、环境扰动与噪声模型
让你的仿真结果“更像真机”，避免算法过拟合虚拟环境

---

目录

1. AirSim 中的无人机动力学：从六自由度到推进模型
2. 碰撞系统：检测、事件回调与恢复策略
3. 风场模型：风向、风速、阵风、湍流
4. 噪声系统：传感器噪声、动力噪声、IMU 噪声
5. 真机一致性：如何校准仿真让它接近你的无人机

---

1. AirSim 中的无人机动力学：从六自由度到推进模型

AirSim 的无人机动力学是基于一套 近真实的 6-DoF 刚体动力学 + 推进器模型——远比 Gazebo 的默认插件更轻、更快，也比 PX4 SITL 更易上手。

---

1.1 无人机在 AirSim 中的动力学框架（DRL / 控制算法必读）

AirSim 模拟了完整的无人机状态：

状态	说明
位置 Position (x, y, z)	NED 或世界坐标系
速度 Linear Velocity (vx, vy, vz)	包含阻力
姿态 Orientation (Quaternion / Euler)	控制 pitch/roll/yaw
角速度 Angular Velocity	受电机扭矩影响
推进器输出 Thrust / Torque	对应四旋翼 4 电机

该 6-DoF 刚体动力学基于 Newton–Euler 方程：

线加速度：
[
a = \frac{1}{m}(F_{thrust} + F_{drag} + F_{gravity} + F_{wind})
]

角加速度：
[
\dot{\omega} = I^{-1}(M_{motors} - \omega \times I\omega)
]

这里最关键的，是 AirSim 把电机建模得非常“飞控化”。

---

1.2 四旋翼推进器模型：让算法对真机更鲁棒

四旋翼的推进力由以下参数控制：

参数	作用
motor/linear_drag_coefficient	推进器随速度衰减
motor/min_thrust/ max_thrust	推力上下限
motor/torque_constant	电机扭矩
motor/spin_up_time	舵机/电机延迟

这些参数决定了：

• PID 调参是否稳定
• RL agent 会不会“过拟合”理想动力学
• 飞行轨迹是否像真实无人机
• 是否会出现真实中的抖动、延迟、悬停漂移

如果你未来计划部署到实际无人机（如 PX4）——这些参数必须调得像真机。

---

2. 碰撞系统：检测、回调、恢复策略（对无人机最重要的部分）

相比地面机器人，无人机最怕的就是 不可控的碰撞反应。
AirSim 的碰撞系统包括：

• Mesh-based 精确碰撞检测
• 碰撞事件回调
• 可配置缓冲 / 弹性恢复
• 可关掉碰撞做路径规划测试

---

2.1 如何检测无人机是否撞机？

client.simGetCollisionInfo()

返回：

字段	解释
has_collided	是否发生碰撞
impact_normal	碰撞面法线（机体恢复方向）
impact_point	碰撞点
penetration_depth	穿透距离（越大代表撞得越狠）
object_name	撞到什么

---

2.2 “撞机后怎么办？”——三种策略

策略 A：立即刹停（最接近真实）

client.moveByVelocityAsync(0,0,0,1)

策略 B：自动回弹（仿真常用）

读取 impact_normal，沿该方向反向推一点距离。

策略 C：忽略碰撞（路径规划 / RL 实验）

settings.json：

"EnableCollisionPassthrough": true

无人机会穿墙，但用于 SLAM / 规划 / 控制算法前期调试 非常方便。

---

3. 风场模型：风、阵风、湍流、扰动（无人机飞控最常用）

这是 AirSim 最被低估却对无人机算法至关重要的组件。

AirSim 支持：

• 恒定风 Constant Wind
• 随机阵风 Gusts
• 湍流 Turbulence
• 方向变化
• 垂直扰动（类似热气流）

---

3.1 开启风场

settings.json：

"Wind": {
"Enabled": true,
"WindDirection": [1, 0, 0],
"WindSpeed": 8
}

含义：

• 朝 X 正方向吹
• 风速 8 m/s（已接近小型无人机极限）

---

3.2 模拟阵风（强烈推荐）

"WindGust": {
"GustEnabled": true,
"Strength": 20,
"Duration": 0.8,
"Probability": 0.3
}

效果：

• 飞行中会突然强烈偏航
• 悬停时会产生随机漂移
• RL agent、MPC、PID 更加鲁棒

---

3.3 湍流噪声（让飞行更“真机”）

"Turbulence": {
"Enabled": true,
"Scale": 1.3
}

湍流会使：

• 姿态抖动
• 速度有随机噪声
• 导致相机画面轻微震动

这是模拟“真实空气环境”的关键。

---

4. 噪声系统（IMU、GPS、深度、相机、动力噪声）

无人机在真实世界中最头疼的问题：

• IMU 漂移
• GPS 跳变
• 推力不对称
• 气压计噪声
• 相机噪声

AirSim 内置这些噪声，可逐项开启。

---

4.1 IMU 噪声（控制系统最敏感）

IMU 噪声会影响：

• 姿态估计
• EKF / UKF
• 控制环震动
• 悬停稳态误差

settings.json：

"Imu": {
"NoiseScaleAccel": 0.2,
"NoiseScaleGyro": 0.05,
"BiasDrift": 0.001
}

开启后：
无人机悬停会摇晃，像真机一样会缓慢“漂走”。

---

4.2 电机噪声：不可控但真实的“推力不一致”

"MotorNoise": {
"Enabled": true,
"Variance": 0.07
}

影响：

• 悬停漂移更难控制
• PID/MPC 需要更强的鲁棒性

---

4.3 相机噪声（视觉算法必调）

可模拟：

• 高斯噪声
• 随机噪点
• 模糊
• 曝光偏移

"CaptureSettings":[
{
"ImageType": 0,
"NoiseEnabled": true,
"NoiseAmount": 0.02
}
]

---

5. 真机一致性：如何“校准”仿真让它接近你的无人机（核心）

重点在三个部分：

---

5.1 校准推进模型（必做）

• 用你的无人机测量 hover thrust
• 调整 "motor/max_thrust"
• 让 AirSim 的 hover throttle 和真机一致

---

5.2 校准无人机重量和惯量

"VehicleMass": 1.15,
"InertialMatrix": [0.02, 0.02, 0.04]

惯性越大：

• 转弯更“钝”
• 控制更易稳

和真实无人机差距越小，你的控制算法越可靠。

---

5.3 校准噪声（防止仿真算法无法上真机）

最常见错误：
仿真无噪声 → 上真机直接炸机。

建议：

噪声	推荐值
IMU 加速度噪声	0.2–0.5
IMU 陀螺仪噪声	0.03–0.05
GPS 噪声	0.5–1.2 m
相机噪声	0.01–0.05
电机推力噪声	0.05–0.1

---

祝你天天开心，我将更新更多有意思的内容，欢迎关注！
最后更新：2025年12月
作者：Echo