3. SITL技术原理

好，咱们进入第三章。前两章我们把 SITL 环境搭起来了，也跑通了第一个仿真。但说实话，那个仿真用的是默认的「通用四旋翼」，跟实际飞控差得还挺远。

这一章，我们就来干三件事：加载真正的多旋翼模型、配置传感器模型、以及入门参数调优。这三件事搞定了，你的仿真才算「活」了。

3.1 多旋翼模型加载：从默认到定制

ArduPilot 的 SITL 支持多种机型。默认启动的是 quad（四旋翼），但你也可以加载 hexa（六旋翼）、octa（八旋翼）、甚至 Y6 或自定义构型。

我个人习惯，在项目初期就明确机型。因为不同机型的混控矩阵、动力响应都不一样。你想想看，四旋翼和六旋翼的故障容错逻辑完全不同——四旋翼坏一个电机基本就炸了，六旋翼还能勉强飞回来。

3.1.1 加载指定机型

启动时用 --model 参数指定：

sim_vehicle.py -v ArduCopter --model hexa --console --map

这会加载一个六旋翼模型。你可以在控制台看到类似这样的输出：

AP: ArduCopter V4.5.0 (e1f2c3d4)
AP: Frame: HEXA
AP: Calibrating barometer... done

嗯，这里要注意：--model 参数不仅决定了外观，还决定了飞控内部的混控矩阵。我见过有人用四旋翼的模型去调六旋翼的参数，结果飞起来抖得跟筛子一样。

3.1.2 自定义构型

如果你用的是非标构型（比如 X8 共轴双桨、或者带倾转机构的 VTOL），就需要自己写混控文件了。

混控文件放在 libraries/AP_Motors/ 目录下，格式是 .mix。举个例子，一个简单的四旋翼混控文件片段：

# Motor 1: Front Right (CW)
Motor 1: 1.0 1.0 -1.0 -1.0
# Motor 2: Rear Left (CW)
Motor 2: 1.0 -1.0 1.0 -1.0
# Motor 3: Front Left (CCW)
Motor 3: 1.0 1.0 1.0 1.0
# Motor 4: Rear Right (CCW)
Motor 4: 1.0 -1.0 -1.0 1.0

每一行的四个数字分别代表：油门、横滚、俯仰、偏航的混控系数。正负号代表旋转方向。

3.2 传感器模型配置：GPS、IMU、磁力计

仿真里的传感器模型，说白了就是「模拟真实传感器的噪声和误差」。没有这些噪声，你的仿真就是「理想世界」，跟实际飞行差太远。

ArduPilot SITL 的传感器模型通过 --gimbal、--speedup 等参数控制，但更精细的配置在参数文件里。

3.2.1 GPS 模型

GPS 的主要参数包括：

参数名	默认值	说明
GPS_TYPE	1（UBlox）	GPS 协议类型
GPS_HDOP	0.8	水平精度因子，越小越好
GPS_POS1_X/Y/Z	0	GPS 天线在机体上的位置偏移

在 SITL 中，GPS 的噪声模型通过 SIM_GPS_* 参数控制：

# 设置 GPS 水平位置噪声（单位：米）
param set SIM_GPS_GLITCH 0.3
# 设置 GPS 丢失模拟（每隔 300 秒丢失一次）
param set SIM_GPS_DROP 0

为什么要调这个？我遇到过一个问题：仿真里 GPS 信号完美无缺，但实际飞的时候，树荫下 GPS 飘了 5 米，飞机直接往树上撞。所以我现在做仿真，一定会把 SIM_GPS_GLITCH 设到 0.5 以上，模拟真实环境。

3.2.2 IMU 模型

IMU 是飞控的核心传感器。它的噪声模型包括加速度计和陀螺仪两部分。

关键参数：

参数名	默认值	说明
INS_ACCEL_FILTER	20 Hz	加速度计低通滤波频率
INS_GYRO_FILTER	80 Hz	陀螺仪低通滤波频率
INS_ACC2OFFS_X/Y/Z	0	加速度计零偏

在 SITL 中，IMU 噪声通过 SIM_IMU_* 参数模拟：

# 设置加速度计噪声标准差（m/s²）
param set SIM_IMU_ACC_BIAS 0.05
# 设置陀螺仪噪声标准差（rad/s）
param set SIM_IMU_GYR_BIAS 0.001

3.2.3 磁力计模型

磁力计（指南针）是很多问题的根源。在仿真里，磁力计模型默认是完美的——没有干扰、没有硬铁/软铁偏差。但实际飞行中，电机电流、机架钢材都会影响磁力计。

相关参数：

# 模拟磁力计干扰（单位：高斯）
param set SIM_MAG_OFFSET 0.02
# 模拟磁力计噪声
param set SIM_MAG_NOISE 0.01

我曾经在项目里遇到一个诡异的问题：仿真里航向保持得很好，但实际飞的时候，飞机总是慢慢偏航。排查了两天，最后发现是磁力计受到了电调 PWM 线的电磁干扰。从那以后，我仿真里一定会把 SIM_MAG_OFFSET 设到 0.05 以上，提前暴露问题。

3.3 参数调优入门：从 PID 开始

参数调优是个大话题，这里我们只讲入门——怎么让飞机飞得稳。

最核心的是 PID 参数。对于多旋翼，主要调三个环：横滚（Roll）、俯仰（Pitch）、偏航（Yaw）。

3.3.1 核心 PID 参数

参数名	作用	典型范围
ATC_RAT_RLL_P	横滚角速率 P 增益	0.10 - 0.25
ATC_RAT_RLL_I	横滚角速率 I 增益	0.10 - 0.20
ATC_RAT_RLL_D	横滚角速率 D 增益	0.001 - 0.008
ATC_RAT_PIT_P	俯仰角速率 P 增益	0.10 - 0.25
ATC_RAT_YAW_P	偏航角速率 P 增益	0.15 - 0.30

3.3.2 调参步骤（我的习惯）

1. 先调横滚和俯仰：这两个轴对称，参数可以一样。
2. 从 P 开始：把 I 和 D 先设小，只调 P。慢慢增大，直到飞机出现轻微振荡，然后回调 20%。
3. 加 I：I 的作用是消除稳态误差。如果飞机悬停时慢慢倾斜，说明 I 不够。
4. 加 D：D 抑制振荡。如果飞机抖得厉害，适当增大 D。
5. 最后调偏航：偏航响应可以慢一点，P 值通常比横滚小。

3.4 本章知识体系

下面这张图总结了本章的核心逻辑：

3.5 实战：快速验证配置

最后，我们跑一个快速验证。启动 SITL，加载六旋翼模型，然后手动设置一些传感器噪声：

# 启动六旋翼
sim_vehicle.py -v ArduCopter --model hexa --console

# 在 MAVProxy 控制台中设置参数
param set SIM_GPS_GLITCH 0.5
param set SIM_IMU_ACC_BIAS 0.08
param set SIM_MAG_OFFSET 0.05

# 解锁并起飞
arm throttle
mode guided
takeoff 10

观察控制台输出和地图。如果飞机在悬停时出现轻微的漂移和抖动——恭喜你，你的仿真已经接近真实了。