RflySim工具链：智能无人蜂群系统快速开发与验证的一体化解决方案

《Journal of Systems Engineering and Electronics》：RflySim ToolChain: A Rapid Development and Validation Toolchain for Intelligent Unmanned Swarm Systems

本文针对智能无人蜂群系统（IUSS）开发过程中存在的技术碎片化、仿真与实景部署脱节等难题，介绍了RflySim ToolChain这一基于模型设计（MBD）的快速开发验证工具链。该工具链通过集成建模与仿真、底层可靠控制、上层集群决策三大模块，构建了覆盖从建模、仿真到测试、部署全生命周期的综合解决方案，支持软件在环（SIL）与硬件在环（HIL）仿真，并实现了仿真到实景（Sim2Real）的无缝过渡。其高度模块化架构与开放接口显著提升了IUSS的开发效率与系统可靠性，为复杂环境下的无人系统协同控制与智能决策研究提供了重要平台支撑。

　　

在军事侦察、物流配送、环境监测与应急救援等领域，智能无人蜂群系统（IUSS）正展现出日益重要的应用价值。然而，其开发与测试过程却面临诸多挑战：传统实飞测试成本高、风险大、空域审批复杂；而现有仿真平台多聚焦于单一技术环节，缺乏对IUSS全技术栈和全流程的系统性支持，难以有效弥合算法仿真与实际部署之间的鸿沟。在这一背景下，研究团队开发了RflySim ToolChain，旨在为IUSS提供一套覆盖全生命周期的快速开发与验证工具链。

该工具链基于模型设计（MBD）理念，构建了包含建模与仿真、底层可靠控制、上层集群决策三大核心模块的一体化平台。在建模与仿真模块中，团队利用Unreal Engine（UE）进行高保真三维场景建模，并建立了涵盖多类无人飞行器（UAV）的六自由度动力学模型，为仿真提供真实环境与运动基础。底层可靠控制模块则集成飞控算法、轨迹规划与故障诊断功能，通过自动代码生成技术将Simulink控制器部署至Pixhawk等开源自驾仪硬件，实现从软件在环（SIL）到硬件在环（HIL）的闭环测试。上层集群决策模块进一步融合视觉感知、集群组网与博弈对抗算法，支持多智能体在复杂环境下的协同决策与任务执行。

为验证工具链的有效性，研究团队开展了多组案例测试，包括多模态三维场景构建、多构型无人飞行器建模、集群轨迹规划与控制、多类型故障模拟、视觉硬件在环（HIL）算法验证、集群通信延迟仿真以及无人系统协同决策等。结果表明，RflySim ToolChain在百架规模集群任务中仅占用10%的CPU与1.2GB内存，具备良好的计算效率；在电机停转故障模拟中的仿真可信度达到64.02%，显示出可靠的仿真精度。

研究结论指出，RflySim ToolChain通过模块化、标准化设计，有效整合了IUSS开发过程中的关键环节，显著提升了系统开发效率与仿真—实景转化能力。其支持全流程自动化测试与多源异构硬件兼容，为IUSS从算法设计到实际部署提供了重要技术支撑。未来，工具链将在智能决策、数字孪生、人机交互等方面持续优化，进一步强化其在无人系统研究与应用中的平台作用。

关键技术与方法方面，作者主要采用了基于模型设计（MBD）的系统构建方法，通过Unreal Engine进行三维场景与传感器建模，利用Simulink实现飞行器动力学模型并自动生成C/C++代码；在控制层面集成Pixhawk/PX4自驾仪与硬件在环（HIL）测试架构，通过MAVLink协议和用户数据报协议（UDP）实现多机通信与状态同步；在决策层面引入虚拟管道（virtual tubes）理论支持集群轨迹规划，并借助机器人操作系统（ROS）框架处理视觉感知与集群协同任务。

研究结果部分从以下几个方向展开：

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  多模态多尺度三维场景：RflySim ToolChain支持导入任意三维场景，并可模拟网络通信可达性、视觉传感器、红外热成像等多种传感器数据，满足大规模无人集群在城市场景、山地环境等多种条件下的协同仿真需求。

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  多源异构无人飞行器建模：工具链提供尾坐式垂直起降（VTOL）飞行器、直升机、倾转旋翼机等多种构型的精确数学模型，形成标准化模型库，支持从概念设计到实景测试的快速迭代。

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  集群轨迹规划与控制：工具链集成多种控制算法与地面站指令接口，支持集群动态路径规划与障碍规避，在百架规模集群任务中表现出较高的控制精度与运行效率。
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  多类型故障模拟：该模块可模拟动力单元故障、传感器异常、通信中断等多种故障场景，并自动记录仿真数据，为系统安全性评估与故障预测提供数据基础。
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  基于视觉的硬件在环（HIL）算法验证：通过实时三维渲染与传感器数据回传，工具链能够在动态虚拟环境中验证视觉算法，避免依赖预建地图，提升算法测试效率。
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  集群组网通信延迟仿真：采用混合仿真框架模拟多机通信中的丢包、延迟与拓扑变化，复现复杂环境下集群通信的实际情况，为组网算法测试提供可靠平台。
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  无人系统协同控制与决策：工具链支持异构无人平台在统一框架下的协同任务执行，已在目标搜索、打击、物资运输等场景验证其协同效能。

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  Sim2Real快速部署与验证：通过硬件在环（HIL）阶段对自驾仪与机载计算机的集成测试，工具链可实现从仿真环境到实机部署的无缝过渡，大幅缩短部署周期并提升系统可靠性。

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  性能测试与开发案例：工具链在多种任务场景下的性能测试表明，其在集群控制、网络仿真、轨迹跟踪等方面均具备良好的实时性与精度，为各类应用开发提供了充分验证。

综上所述，RflySim ToolChain通过模块化、标准化与全流程集成设计，有效解决了IUSS开发中的技术割裂与仿真—实景转化难题，为无人系统研究提供了从建模、仿真到实景部署的一体化平台。未来，随着人工智能与数字孪生技术的深度融合，该工具链有望在智能无人系统领域发挥更广泛的支撑与推动作用。