一文教你如何快速实现基于PX4的软、硬件在环仿真

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PX4软件系统是一款开源的无人机飞行控制系统，广泛应用于各种无人航空器平台。为了验证和测试PX4系统的性能以及集成的算法，我们往往需要采用软件在环仿真（Software-in-the-Loop, SIL）和硬件在环仿真（Hardware-in-the-Loop, HIL）的方式来验证。本文将介绍如何快速启动SIL、HIL仿真验证。
PX4软件官方的SIL、HIL仿真实现

软件在环仿真是一种仿真技术，广泛应用于汽车、航空航天、工业自动化等多个领域。它主要是利用高级的软件模型来模拟实际的硬件系统行为，在软件开发早期进行功能和性能验证。基于PX4的软件在环仿真官方流程有详细的说明[1]，其配置过程较为繁琐，配置环境的要求为Linux环境，且需要在Github中Clone源码，还需要安装仿真器(如：JMAVSim、Gazebo等)，通过地面站软件来控制飞机从而实现整体的软件在环仿真的闭环，整体框架如下：

基于RflySim平台的SITL、HITL仿真实现

RflySim平台(下载链接：https://rflysim.com/download.html)

是一套专为无人平台控制系统开发、大规模集群协同、人工智能视觉等前沿研究领域研发的高可信度的无人控制系统开发、测试与评估平台。它是基于Pixhawk /PX4 和MATLAB/Simulink 生态系统或工具链，并且提供一键安装和配置环境的方式，可大大降低开发时间，提高开发效率。从算法框架的前期设计、搭建、仿真以及实飞提供完整的实验流程支持。

针对SIL仿真，RflySim整个阶段都可在MATLAB环境下进行，利用给定多旋翼仿真模型和例程，在Simulink中进行控制算法设 计，并正确连接模型和控制器，确保输入输出信号与实际多旋翼系统一致。类似于实际多旋翼系统，多旋翼模型将传感器数据或状态估计信息（例如，姿态角、 角速率、位置和速度等）发送给控制器，控制器将每个电机PWM控制指令发回给模型，从而形成一个软件 在环仿真闭环系统。在本阶段，用户可以观察控制性 能，自行修改或设计控制器来达到期望的性能需求。 同时，用户也可以将在Simulink中搭建的自定义载具的动态模型，通过提供的自动生成DLL文件程序，将其打包生成DLL文件，复制到平台的CopterSim软件中，再通过一键启动SILRun.bat脚本，一键启动SIL仿真。
相比较SIL仿真，HIL仿真时用户将设计完成的控制器上传到PX 4软件支持的飞控硬件环境下，通过串口线直接连接的方式与CopterSim软件中的DLL模型进行通信，CopterSim将传感器数据（例如，加速度计、气压计、磁力 计等）通过USB数据线发送给飞控硬件系统；Pixhawk系中的PX4自驾仪软件将收到传感器数据进行滤波和状态估计， 将估计的状态信息通过内部的uORB消息总线发送给控制器；控制器再通过USB数据线将每个电机的PWM控制指令发回 给CopterSim，从而形成一个硬件在环仿真闭环。
在实飞测试阶段，CopterSim的DLL文件模型进一步由真实载具替代，传感器数据直接由传感器芯片感知飞行运动状态得到，控制器信号直接输出给电机，从而实现真实载具的控制。需要注意的是，无论是HIL仿真还是SIL仿真，其仿真模型都难以与真实飞机保持完全一致，因此进一步的参数调整也是必要的。
一键启动SITL、HITL仿真演示

SITL仿真：安装完成RflySim平台之后，进入桌面“RflyTools”文件夹，双击“SITLRun”快捷方式，并输入1，再回车。 等到RflySim3D显示“*** EKF 3DFixed”（CopterSim上也会显示），表示飞控 已经初始化完毕，可以开始控制自主飞行。

HITL仿真：通过USB线将飞控与电脑链接，进入桌面“RflyTools”文件夹，双击“HITLRun”快捷方式，并输入1，再回车。 等到RflySim3D显示“*** EKF 3DFixed”（CopterSim上也会显示），表示飞控 已经初始化完毕，可以开始控制自主飞行。

参考文献：
1.https://docs.px4.io/main/en/simulation/
2.https://rflysim.com/doc/zh/
3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/227819106