C#算法
Unity 无人机物理模拟开发：打造穿越机真实手感
记录了在 Unity 中构建高拟真 FPV 穿越机物理模拟系统的过程。内容涵盖输入系统、核心物理引擎（PID 控制器、混控器）、物理细节打磨（电机惯性、地面效应、非线性空气阻力）及飞行模式（Acro/Angle）。通过手动计算力矩与阻力，优化了飞行手感，实现了从基础刚体到具备空气动力学特性的模拟器进化。
记录了在 Unity 中构建高拟真 FPV 穿越机物理模拟系统的过程。内容涵盖输入系统、核心物理引擎（PID 控制器、混控器）、物理细节打磨（电机惯性、地面效应、非线性空气阻力）及飞行模式（Acro/Angle）。通过手动计算力矩与阻力，优化了飞行手感，实现了从基础刚体到具备空气动力学特性的模拟器进化。
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环境：Unity 2022.3.57c1f1
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。
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。
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 算法原理可参考相关技术文档。
rb.angularVelocity。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
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：
真实的电机从 0 加速到 100% 需要时间。
Mathf.Lerp 对油门输入进行低通滤波。// 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);
}
当无人机贴近地面时，下洗气流受阻，升力会增加。
// --- 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;
}
Unity 默认的 Drag 是线性的 ( F ∝ v )，这让无人机感觉像在水里游。
// 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;
无人机操作一共配置了两种模式
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;
}
除了核心物理，还有很多细节决定了模拟器的可用性：
// --- 怠速保护逻辑 ---
if (throttleBase < 0.05f)
{
m1 = m2 = m3 = m4 = 0f;
pitchPID.Reset();
rollPID.Reset();
yawPID.Reset();
}
// --- 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);
代码结构比较简单，一共就 4 个脚本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 (P)+ 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) |
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'。