Симулятор небольшого беспилотного самолёта на Python. Физика, аэродинамика, САУ и интегратор написаны с нуля, без сторонних движков, поэтому любую формулу можно найти в коде и проверить. На нём можно:
- полетать в 3D вручную или под управлением САУ — по маршруту, с ветром и турбулентностью, над одной из четырёх карт;
- изучить САУ: на стенде коэффициенты регуляторов меняются ползунками прямо в полёте, а в конструкторе контур можно собрать из блоков ТАУ;
- посчитать: сценарии s1–s11 записывают полёт в
.flightlog, по нему строятся графики и проверка против линейной теории.
git clone https://github.com/der-rozanov/Sim
cd Sim
pip install -r requirements.txtПроверено на Python 3.12.10 и Windows 11, версии пакетов в requirements.txt
закреплены. Для расчётов нужны только numpy и matplotlib, scipy нужен для LQR,
ursina — для 3D-окон.
python launcher.pyЛаунчер — окно, в котором выбирается режим (полёт, стенд, конструктор, сценарий, просмотр лога), тип ЛА, карта, ветер и датчики. Он собирает командную строку и запускает нужный скрипт. Без лаунчера то же самое запускается напрямую:
python scenarios/GameScenario3D.py # полёт в 3D + окно наземной станции
python scenarios/Bench3D.py # стенд САУ: блок-схемы с ползунками
python scenarios/BlockLab3D.py # конструктор САУ из блоков
python scenarios/s10_waypoints.py # любой сценарий s1–s11: расчёт + графики
python viz/viewer.py # графики последнего .flightlog
python viz/viewer3d.py # тот же полёт в 3D
python checks/check.py # самопроверка: ALL CHECKS PASSED| Клавиша | Вручную | С САУ (P — вкл/выкл) |
|---|---|---|
| W / S | руль высоты | уставка тангажа / высоты |
| A / D | элероны | уставка путевого угла ∓10° |
| Q / E | руль направления | — |
| X / Z | тяга | уставка скорости |
| Shift | большие расходы рулей | — |
| H / N | — | удержание высоты / полёт по маршруту |
Пробел — пауза, R — сброс, T — турбулентность, 1–4 — камера, F1 — вид HUD, Esc — выход.
Маршрут задаётся на карте окна станции: ЛКМ ставит или перетаскивает точку, ПКМ
удаляет, колесо над точкой меняет её высоту. Кнопка FLY отправляет ЛА по маршруту.
Подробнее — docs/viewer3d.md и
руководство пользователя.
Модель ЛА. Полная модель 6DOF; ориентация задаётся кватернионом, поэтому вертикальный полёт и петля не создают особенностей. Аэродинамика со срывом на закритических углах атаки, мотор и винт по паспортным и продувочным данным, приводы рулей с инерцией и пределом скорости, шасси и твёрдая земля. Ветер постоянный, с порывами и сдвигом по высоте, плюс турбулентность Драйдена.
САУ. Коэффициенты всех контуров не подбираются вручную, а рассчитываются по модели ЛА: для другого ЛА достаточно вызвать тот же расчёт.
- тангаж — каскад θ → q → δe; высота и скорость — TECS (управление полной энергией) или раздельные контуры; LQR как альтернатива;
- крен и курс по схеме PX4/ArduPilot, координированный разворот, полёт при боковом ветре;
- полёт по точкам со скруглением углов и кружением над последней точкой (Beard & McLain, гл. 10–11);
- защита от выхода на закритический угол атаки (на рулёжке выключена);
- пилотаж по заданной траектории фигур: петля, бочка и др. — побочная разработка.
Датчики и оценка состояния. Гироскоп, акселерометр, магнитометр, барометр, ПВД и GPS с шумом, дрейфом, своей частотой опроса и запаздыванием. Состояние оценивает инерциальный фильтр Калмана по схеме PX4 EKF2. Его работу видно на вкладке ESTIMATOR окна станции.
Карты. Четыре вымышленные местности 10×10 км: учебная с ВПП, долина реки, горы с озером, болото.
| Что проверяется | |
|---|---|
| s1–s3 | балансировочный полёт, кабрирование, пикирование |
| s4 | выход на срыв с индикацией угла атаки |
| s5–s6 | удержание высоты и воздушной скорости |
| s7 | LQR: набор, горизонт, снижение |
| s8–s9 | координированный разворот, боковой ветер |
| s10 | полёт по точкам в штиль и при ветре |
| s11 | пилотажный комплекс (фигуры 1–8) в штиль и при ветре |
Каждый сценарий печатает отчёт и открывает графики. Числа на прежнем ЛА — docs/scenarios_report.md.
FPV-самолёт классической схемы размахом 1.8 м: масса 2 кг, крыло 1.8 × 0.25 м, мотор
T-Motor AT2814 900KV с винтом APC 11×7E. Крейсерская скорость 16 м/с, сваливание
≈ 7.5 м/с. Геометрия и масса — оценка, аэродинамические производные посчитаны по
геометрии учебными формулами (checks/estimate_fpv_aero.py). Параметры Aerosonde из
Beard & McLain доступны как пресет aerosonde_params(). Свой ЛА добавляется в sim/config.py (реестр AIRCRAFT_TYPES,
ключ --aircraft).
Все числа, которые выдаёт симулятор, — результаты моделирования, а не эксперимента.
sim/ физика: параметры ЛА, состояние, динамика, аэродинамика, ветер, земля
control/ САУ: регуляторы, датчики, EKF, TECS, навигация, пилотаж, расчёт коэффициентов
runner.py главный цикл run() → Log, балансировка; flight_logger.py — запись .flightlog
viz/ 2D-графики, 3D-тренажёр, карты, окна станции, стенда и конструктора
scenarios/ сценарии s1–s11 и интерактивные режимы
checks/ проверки: знаки, моды, сверка с линейной теорией
archive/ сравнение «зонд vs косвенная оценка УА» (тема диплома, на паузе)
docs/ документация
launcher.py окно запуска
Каждый слой знает только о нижележащих. Физика — чистая функция
derivatives(state, controls, t), отделённая от интегратора (RK4, Эйлер). Состояние
хранится в одном numpy-векторе с именованными индексами. Все параметры вынесены в
конфиг, а графики не смешиваются с расчётом.
| USER_GUIDE.md | руководство пользователя с иллюстрациями |
| physics.md | уравнения движения, системы координат, знаки |
| aerodynamics.md | аэродинамические коэффициенты, собственные движения |
| control.md | САУ, EKF, навигация, пилотаж: схемы и расчёт |
| SENSORS.md | модели датчиков |
| viewer3d.md | 3D-тренажёр, карты, стенд, окно станции |
| decisions.md | почему сделано именно так |
| DEV_PLAN.md | что делать дальше, известные дефекты |
Полная карта — docs/README.md.
Численная балансировка для набора, снижения и виража; модальный анализ; траектории
Дубинса; демпфер рыскания без датчика скольжения; запись оценки EKF в .flightlog.
Подробности — docs/DEV_PLAN.md.
Проект начинался как инструмент магистерской работы по измерению аэродинамических углов БПЛА, а теперь развивается как самостоятельный симулятор.