📚 课程目录第4章常用仿真环境搭建

4. 常用仿真环境搭建

硬件在环（HITL）测试的第一步，是让飞控固件运行在一个"可信的虚拟世界"里。这个虚拟世界由仿真器提供：它负责计算刚体动力学、传感器输出、环境扰动，并通过串口或 UDP 与真实飞控板交换数据。PX4 与 ArduPilot 对仿真器的支持策略并不相同，选错仿真器往往会在后续 HITL 联调时付出成倍代价。本节按"物理保真度—接口方式—适配对象"三个维度，梳理四类常用仿真环境的安装与配置要点。

四类仿真器的定位差异

Gazebo 是通用机器人仿真平台，基于 ODE/Bullet/DART 物理引擎，支持复杂场景、多机协同与传感器插件（相机、激光雷达、IMU、GPS），是 PX4 官方主推的仿真后端，通过 px4 的 sitl_gazebo 桥接。jMAVSim 是 PX4 自带的轻量 Java 仿真器，只做简单刚体动力学，启动快、依赖少，适合验证姿态控制与基础航线，但不提供真实传感器噪声模型。AirSim 基于 Unreal Engine，主打高保真视觉与深度相机，常用于视觉导航、避障算法验证，对显卡要求高。JSBSim 是气动模型仿真器，采用 XML 定义气动系数，适合固定翼与高保真飞行力学验证，ArduPilot 对其支持较成熟。

Gazebo：PX4 的首选后端

PX4 官方推荐使用 Gazebo Classic 11 或 Gazebo Sim（Ignition）。以 Ubuntu 22.04 为例，先安装 Gazebo 与 ROS2 Humble，再克隆 PX4 源码并初始化子模块：

sudo apt install gazebo libgazebo-dev
git clone https://github.com/PX4/PX4-Autopilot.git --recursive
cd PX4-Autopilot
make px4_sitl gazebo-classic

执行后 PX4 会以 SITL 模式启动，Gazebo 弹出 iris 四旋翼模型，终端出现 pxh> 提示符。此时在 QGroundControl 中应能看到载具解锁并起飞。若要做 HITL，需要把 px4_fmu-v5 固件烧录到真实飞控板，将飞控的 TELEM2 通过 USB-TTL 接到主机，并在 px4 参数中设置 SYS_HITL=1、SER_TEL2_BAUD=921600，Gazebo 侧改用 make px4_sitl_default none_iris 并指定 --model iris --world empty，让仿真器只负责物理计算，飞控负责状态估计与控制。

jMAVSim：快速验证姿态环

jMAVSim 无需额外安装，PX4 源码中已包含。启动命令为 make px4_sitl jmavsim。它默认监听 4560 端口，与 PX4 的 MAVLink 实例对接。由于 jMAVSim 不模拟传感器噪声与延迟，用它验证 HITL 时，姿态角速度环能跑通，但位置估计会过于理想，不能作为 EKF 收敛性的判据。适合在修改控制参数后做"冒烟测试"：解锁、起飞 2 米、悬停 10 秒、降落，观察是否出现振荡或发散。

AirSim：视觉与避障场景

AirSim 需要先安装 Unreal Engine 4.27 或 5.x，再编译 AirSim 插件。典型流程是：从 GitHub 下载 AirSim 源码，运行 build.cmd（Windows）或 ./build.sh（Linux），然后在 UE 编辑器中打开 AirSim/Unreal/Environments/Blocks 工程并播放。PX4 侧通过 settings.json 配置：

{
  "SettingsVersion": 1.2,
  "SimMode": "Multirotor",
  "Vehicles": {
    "PX4": {
      "VehicleType": "PX4Multirotor",
      "UseSerial": false,
      "UdpPort": 14560,
      "ControlPortLocal": 14540,
      "ControlPortRemote": 14580
    }
  }
}

启动后 AirSim 会向 PX4 发送 HIL_SENSOR 与 HIL_GPS 消息，PX4 以 HITL 模式运行。此时可在 AirSim 的 Python API 中读取深度图、分割图，用于视觉算法闭环。注意 AirSim 对 GPU 显存要求较高，建议 8 GB 以上，且 UE 场景加载时间通常在 30 秒以上。

JSBSim：固定翼气动验证

ArduPilot 对 JSBSim 的支持通过 sim_vehicle.py -j 参数启用。先安装 JSBSim：

sudo apt install jsbsim
cd ardupilot/Tools/autotest
./sim_vehicle.py -v ArduPlane -j --console --map

JSBSim 使用 XML 描述气动系数，ArduPilot 自带 Rascal、Skywalker 等机型。HITL 时，将 SIM_JSBSIM 相关参数与真实飞控的 HIL_MODE 对齐，飞控通过串口接收 net_fdm 数据包。JSBSim 的优势在于能复现失速、螺旋等非线性气动现象，适合验证固定翼的包线保护逻辑。

选择建议：多旋翼 HITL 优先 Gazebo；快速回归测试用 jMAVSim；视觉/避障用 AirSim；固定翼气动验证用 JSBSim。四者并非互斥，可在同一台主机上共存，通过不同的启动脚本切换。

配置检查清单

检查项	Gazebo	jMAVSim	AirSim	JSBSim
MAVLink 端口	14540/14580	4560	14560	net_fdm 5501
HITL 参数	SYS_HITL=1	SYS_HITL=1	SYS_HITL=1	HIL_MODE=1
串口波特率	921600	921600	921600	57600
典型启动耗时	15–30 s	3–5 s	30–60 s	10–20 s

完成安装后，建议先用 SITL 模式跑通一次完整起降，再切换到 HITL。切换时重点观察三处：飞控是否收到 HIL_SENSOR 心跳、QGC 中 EKF 是否收敛（水平位置方差小于 1 m²）、解锁后电机输出是否随仿真器姿态变化。若 EKF 不收敛，优先检查仿真器时间戳与飞控时钟是否同步，以及传感器噪声参数是否被正确注入。