Unity 无人机物理模拟开发日志：从零打造穿越机手感

摘要：本文记录了在 Unity 中构建一个高拟真 FPV 穿越机（Drone）物理模拟系统的过程。从基础的 PID 控制到引入空气动力学阻力、地面效应和电机惯性，一步步逼近真实的飞行手感。

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环境：Unity 2022.3.57c1f1 Window10

开源仓库地址

Unity引擎开发的无人机模拟系统

演示视频：

Unity无人机仿真-bilbil

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一、功能介绍

输入系统

最初的实现使用键盘鼠标控制，但这对于模拟穿越机来说完全不够。真实的穿越机需要细腻的模拟量输入。

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核心物理引擎

Unity 的 Rigidbody 提供了基础物理，但要飞得像穿越机，必须手动计算力和力矩。

PID 控制器 (Rate Loop)

这是飞控的灵魂。我们实现了三个独立的 PID 控制器分别控制 Pitch、Roll 和 Yaw 的角速度。
PID的介绍请看我的另外一篇文档： PID算法

• 目标：摇杆输入 = 目标角速度（例如满杆 200度/秒）。
• 反馈：rb.angularVelocity。
• 输出：PID 计算出的修正力矩。

混控器 (Mixer)

将 PID 输出分配到四个电机。采用标准的 Quad X 布局：

// FL (左前): +Pitch +Roll -Yaw
// FR (右前): +Pitch -Roll +Yaw
// BL (左后): -Pitch +Roll +Yaw
// BR (右后): -Pitch -Roll -Yaw

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物理细节的打磨

基础 PID 能飞，但手感像“在真空中飞行”或者“完美的刚体”。为了真实感，我引入了三个关键特性：

电机惯性 (Motor Inertia)

真实的电机从 0 加速到 100% 需要时间。

• 实现：使用 Mathf.Lerp 对油门输入进行低通滤波。
• 效果：消除了“瞬移般”的响应，给油门带来了一丝“肉”感和延迟，极大提升了重量感。

    // 更新动力 (在 FlightController 的 FixedUpdate 中调用)
    public void UpdatePhysics(float targetThrottle)
    {
        // 模拟电机惯性 (一阶低通滤波)
        // 从当前油门平滑过渡到目标油门
        float dt = Time.fixedDeltaTime;
        currentThrottle = Mathf.Lerp(currentThrottle, targetThrottle, dt * motorResponseSpeed);

        // 1. 施加升力 (垂直于机臂向上)
        Vector3 force = transform.up * (currentThrottle * maxThrust);
        rb.AddForceAtPosition(force, transform.position);

        // 2. 施加反扭矩 (Yaw控制)
        // 顺时针旋转的电机，会给机身施加逆时针的扭矩，反之亦然
        float torqueDir = isClockwise ? -1f : 1f;
        float torqueMagnitude = currentThrottle * maxThrust * torqueFactor * torqueDir;
        rb.AddTorque(transform.up * torqueMagnitude, ForceMode.Force);
    }

地面效应 (Ground Effect)

当无人机贴近地面时，下洗气流受阻，升力会增加。

• 实现：向下发射射线检测高度。高度 < 0.5m 时，根据距离非线性增加升力系数。
• 效果：降落时会有明显的“气垫感”，不会直接“砸”向地面，起飞也更轻盈。

            // --- 地面效应 (Ground Effect) ---
            RaycastHit hit;
            if (Physics.Raycast(transform.position, Vector3.down, out hit, groundEffectMaxHeight))
            {
                float ratio = 1.0f - (hit.distance / groundEffectMaxHeight);
                float groundEffectMultiplier = 1.0f + (ratio * groundEffectLiftFactor);
                
                m1 *= groundEffectMultiplier;
                m2 *= groundEffectMultiplier;
                m3 *= groundEffectMultiplier;
                m4 *= groundEffectMultiplier;
            }

非线性空气阻力 (Quadratic Drag)

Unity 默认的 Drag 是线性的 ($F\propto v$)，这让无人机感觉像在水里游。

• 实现：手动计算平方阻力 $F=-v\cdot |v|\cdot k$。
• 差异化阻力：
  • 垂直方向：机身扁平，阻力系数大 (1.0)。下落会有明显的终端速度。
  • 水平方向：机身流线，阻力系数小 (0.2)。允许长距离惯性滑行。
• 效果：这是手感提升最明显的一步。前飞松杆后的滑行感，以及高空下落时的速度平衡，都非常接近真机。

        // 计算平方阻力: F = -v * |v| * dragFactor
        Vector3 dragForceLocal = Vector3.zero;
        dragForceLocal.x = -localVel.x * Mathf.Abs(localVel.x) * dragFactors.x;
        dragForceLocal.y = -localVel.y * Mathf.Abs(localVel.y) * dragFactors.y; // 垂直阻力通常较大
        dragForceLocal.z = -localVel.z * Mathf.Abs(localVel.z) * dragFactors.z;

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飞行模式

无人机操作一共配置了两种模式

Acro Mode (手动模式)

• 逻辑：摇杆控制角速度。松杆后无人机保持当前姿态。

Angle Mode (自稳模式)

• 逻辑：双环 PID 控制。
  • 外环：摇杆控制角度 (例如满杆 45 度)。计算出目标角速度。
  • 内环：执行目标角速度。
• 特性：松杆自动回平。

       if (mode == FlightMode.Angle)
        {
            // --- Angle Mode (自稳模式) ---
            // 摇杆输入映射为目标角度 (-45 ~ 45 度)
            float targetPitchAngle = input.Pitch * maxTiltAngle;
            float targetRollAngle = -input.Roll * maxTiltAngle; // Unity Z轴旋转方向可能需要反转

            // 获取当前角度 (将 0-360 转换为 +/- 180)
            Vector3 currentEuler = transform.localEulerAngles;
            float currentPitch = Mathf.DeltaAngle(0, currentEuler.x);
            float currentRoll = Mathf.DeltaAngle(0, currentEuler.z);

            // 外环 P 控制: 角度误差 -> 目标角速度
            // Pitch: 目标 - 当前 (因为后面混控器 Pitch 反转了，所以这里保持 目标-当前)
            targetPitchRate = (targetPitchAngle - currentPitch) * angleKP;
            
            // Roll: 当前 - 目标 (反转逻辑，防止正反馈翻滚)
            // 右滚是负角度，如果不反转，误差为正，导致继续右滚
            targetRollRate = (currentRoll - targetRollAngle) * angleKP;
            
            // Yaw 轴通常保持 Rate 模式
            targetYawRate = input.Yaw * 150f;
        }
        else
        {
            // --- Acro Mode (特技/手动模式) ---
            // 摇杆输入直接映射为目标角速度 (-200 ~ 200 度/秒)
            targetPitchRate = input.Pitch * 200f;
            targetRollRate = input.Roll * 200f;
            targetYawRate = input.Yaw * 150f;
        }

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稳定性与体验优化

除了核心物理，还有很多细节决定了模拟器的可用性：

• 怠速保护 (Idle Protection)：
  • 问题：地面待机时，PID 积分项累积导致无人机“抽搐”或乱跳。
  • 解决：油门 < 5% 时，强制关闭电机并 Reset PID。

        // --- 怠速保护逻辑 ---
        if (throttleBase < 0.05f)
        {
            m1 = m2 = m3 = m4 = 0f;
            pitchPID.Reset();
            rollPID.Reset();
            yawPID.Reset();
        }

• PID 限幅 (Authority Limit)：
  • 限制 PID 对电机的最大控制权 (例如 30%)，防止极端情况下 PID 输出过大导致电机饱和甚至侧翻。

         // --- PID 限幅保护 ---
         float pOut = Mathf.Clamp(pitchCorrection * correctionScale, -maxPIDAuthority, maxPIDAuthority);
         float rOut = Mathf.Clamp(rollCorrection * correctionScale, -maxPIDAuthority, maxPIDAuthority);
         float yOut = Mathf.Clamp(yawCorrection * correctionScale, -maxPIDAuthority, maxPIDAuthority); 

• 一键重置：
  • 添加手柄 Y 键 复位功能，炸机后瞬间回到原点并清空物理速度，方便反复练习。

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二、源码

代码结构

代码结构比较简单，一共就4个代码就实现了整个无人机模拟，以下是流程图：

架构分层	核心脚本	角色定位	主要功能与逻辑	数据流向 / 物理作用
输入层	DroneInput.cs	信号预处理	1. 读取硬件：接收物理手柄输入。 2. 数据清洗：处理摇杆死区、应用映射曲线。	输出：标准化控制信号 • 油门 (Throttle): 0 ~ 1 •俯仰/横滚/偏航: -1 ~ 1
控制层	FlightController.cs	大脑 (Brain)	1. 模式处理：根据 Angle/Acro 模式将输入转为目标角速度。 2. PID 调度：调用 PID.cs 计算误差。 3. 混控 (Mixer)：混合主油门与 PID 修正值。 4. 环境模拟：计算非线性阻力与地面效应。	输入：标准化信号 + 刚体物理状态 输出：4 个电机的最终目标油门
算法层	PID.cs	纯数学计算	1. 误差计算：对比目标值与当前值。 2. 修正输出：计算比例§+积分(I)+微分(D)的总和。	输入：目标值、当前值、时间差 (dt) 输出：PID 修正值
执行层	MotorEngine.cs	四肢 (Limbs)	1. 惯性模拟：通过低通滤波模拟电机响应延迟。 2. 物理交互：将油门值转换为具体的物理力。	输入：目标油门值 作用：向 Rigidbody 施加 • 推力 (Force) • 反扭矩 (Torque)

总结

通过以上步骤，我们从一个简单的刚体运动，进化到了一个具备空气动力学特性的飞行模拟器。目前的物理手感已经能传达出穿越机的“惯性”和“风阻”。

如果能帮助到你！可以给我来个点赞吗？ 谢谢！u😘