SIGMAfree是永久免费的飞行仿真软件，其最大特点是使用小型飞行器精准的气动与控制模型以及外场实验常用的QGC远程控制地面站，能够让使用人员真切的感受到控制参数、导航/控制/决策算法对飞行性能的影响，非常适合菜鸟学习飞行控制相关的基础知识和操作，也适用于老鸟进行集群决策、先进控制、图像处理等算法设计，还有助于科研大佬验证一些新奇的idea。
当然SIGMA free的出现并非偶然，是团队结合实际遇到的问题，一点点解决并积累而来。本文将简单介绍这款软件的演变过程，有点点长，希望大家能耐心看完，您一定会了解到我们 设计这款软件的初衷，并乐于给我们提出改进的宝贵意见~~
后面，我们还会不断的推出SIGMAfree的框架、源码等等，永久免费只是第一步，开源共享是我们最终的目标！还希望大家关注公众号和B站主页支持我们！
01
SIGMA free的过去
SIGMA free的开发团队，就是几个北理工的老师和一群北理工的学生。
我们是国内最早开展巡飞弹研究的团队，我们的师爷马宝华教授1997年提出的目标很简单——“给弹药装上翅膀和眼睛”——也是现在火热的巡飞弹的雏形。结合飞行器和弹药的特征，再经过几个项目的反复，团队在2010年左右实现了炮射型巡飞弹的国内首飞，并把研究聚焦到低空、慢速、小型、电动力这类巡飞弹上来。
当时，相关气动特性、转折机构、动力系统、飞行控制器、实验手段等等均面临着巨大的挑战：低速小型风动数据不可信、折叠机翼导致翼型升阻比和控制稳定裕度耦合严重、动力系统抗发射过载能力差、控制器上电后无法校准、完全没有标准参考构建实验条件等等。“如果有个仿真软件能帮我们把这些事都做了就好了……”。
——这是SIGMA free诞生的灵感火花。
随着研究的深入，气动仿真用的CFD、结构设计用的CATIA、动力系统的测试数据、控制器仿真用的MATLAB和编程用的C++、实验过程中用到的地面控制系统，以及承载上述技术的机体加工与装配、集成电路设计、每一次试验大纲编写、每一次外场实验的日晒雨淋，团队一直在砥砺前行。随着滑跑起飞、炮射起飞、手动飞行、自动飞行、捷联制导、动目标制导、全流程发火等实验的成功，小型巡飞弹的设计不再是难题。“如果有个软件能把这些经验记录下来帮助我们设计下一款弹药就好了……”。
——这是SIGMA free诞生的模糊的概念。
团队在整个研究过程中，还承担着教书育人的使命。本科毕业生、硕士研究生、博士研究生来一波走一波，从需要学习基础知识的菜鸟，到独当一面的工程师，成长固然令人欣慰，而团队背后的艰辛也可想而知。人员的频繁更替带来的是团队取得的成果、经验、知识无法很好的继承，而上课、写论文、毕业、就业、谈朋友等等又是每一个学生都必须要面临的压力…因此提高学习、科研、实验的效率成为了团队学生和老师共同的期望。“如果能有一个平台帮着我们把所有的成果编程模块串联在一起并继承下去就好了……”。
——这是SIGMA free诞生的明确的功能需求。
不过想要将和小型飞行器设计相关的各种技术捏和到一起，并没有想象中那么容易。我们首先想到的是利用成熟度的飞行模拟软件Xplane、Airsim、FlightGear，但面临三个问题：模型解算不符合我们的要求、通信协议不方便更改、空地一致性/仿真可信度差。然后我们面临了更大的挑战，需要同时解决50-100-200的分布式仿真，每一台都需要提供图像反馈。最后我们接到了能不能还原应用场景的最本质的提问。最后，我们重新构建了满足需求的仿真系统，耗时很长，但顺利完成了上述任务。
——这就是SIGMA free的前身：SIGMA，一个分布式集群硬件在回路仿真系统。
SIGMA包含了两个主要的数据交互服务器、硬件渲染和飞控节点（最多支持200节点），以及和仿真过程相关的控制端、裁判端、节点端、显示设备等等硬件。只不过，SIGMA造价成本昂贵，使用相对复杂，只适合科研院所大规模仿真使用。团队自己的学生想完全掌握需要经历长时间的学习和操作练习，不利于入门学习，也不利于高效工作。这样，我们就萌生了研发SIGMA free的想法。
02
SIGMA free的现在
我们不止一次提到了，SIGMA free的初衷，就是要帮助学生快速掌握飞行器以及飞行器控制的基本手段，就是要帮助学生理解复杂的飞行器是如何构成的，就是要帮助学生能明确自己的研究在整个系统里的作用，从而让团队的研究有延续性、让团队的研究有继承性。
化简后的SIGMA free，就变成了现在这个样子。看不清可以点击图片放大查看，我们已经尽力化简这个复杂的仿真软件了，但是想保持仿真的可信度，就必须要保留每个模块的功能。
这里，我们用引导性质的语言来描述曾经实现的功能，尽可能只描述模块之间的关系，从而让读者体会模块是不是能帮到您正在进行的科研。
01
飞行器设计
这部分牵扯的模块比较多，但是整个流程走下来基本对飞行器设计进行了闭环，对学生找工作大有益处。团队用该方法实现了2架飞行器的数字孪生，并正在用该方法设计变形飞行器，后续有机会也会更新相关的成果，还是希望大家关注公众号和B站主页，不要错过~
02
飞行控制器设计
很显然，这部分的工作虽然使用的模块不多，但是对编程的要求非常高，对学生的代码编写能力和习惯，甚至是嵌入式相关的能力都是极大地提升。团队正在开展固定翼航迹追踪、捷联末制导等研究，有兴趣的读者还是希望能你关注公众号和B站主页，等待研究最新动态~
03
航迹规划算法验证
继续以固定翼为例，小型飞行器的航迹规划是非常复杂的一个过程，因为需要考虑飞行器转弯半径、最低速度、转完掉高等等一些列的影响。传统的质点、平面假设是非常简单粗暴的化简方法，会让算法的仿真结果和实际飞行效果相去甚远。当你希望讨论、尝试某种方法放到飞行器上会产生怎样的效果时，希望你能想到SIGMA free。
想要完成上述算法的验证，你需要大致了解一下飞行器的飞行控制原理，当你明白用航点去驱动飞行器能够最大程度保证飞行器安全时，你规划的航迹将更加逼近真实。当然，你如果觉得跟踪航迹才是最棒的，你也可以修改内环的控制器来实现，这部分就是参考02的内容了。
总之，通过你自己的航点/航迹生成器，给PX4输入期望航点，从而完成全部飞行任务，在SIMGA free里你需要考虑更多，好处就是没有人会再提出你这种简单的化简和实际飞行一致么？你这么做考虑飞行器本身的机动性了么？
单纯的航迹规划方法对飞行器来说是没有意义的，只有对飞行器和控制特性都有深刻的理解后，才能设计出适用的规划方法。团队同样在做规划方面的工作，不过是集群规划，这就涉及到SIGMA free后续的一个重大更新，我们稍后再说。请关注公众号和B站主页。
04
非常重要的小结
不难发现，上述的3个功能，其实只是小型飞行器研究最基础的功能，当我们面对一个棘手的项目和课题时，往往需要掌握所有功能，这就是团队存在的意义。当然你可以用SIGMA free提供的简单模型完成自己希望部分的研究。如模块中所示，我们留了图像接口、航点输入接口、内环控制接口、外环控制接口、还有旋翼模型等等，就是希望大家能自由组合，做出符合自己需要的仿真。
我们团队开展飞行器设计、控制器、捷联末制导、弹着角控制、小目标识别与跟踪、集群智能、博弈等关键技术的研究，这些技术基本都是围绕固定翼飞行器开展的。不过，SIGMA free支持多类机型仿真，我们希望该系统能够降低各类飞行器入门的门槛，帮助大家在数字孪生时代更好地完成自己的科研目标。
03
SIGMA free的未来
SIGMAfree就是这么一款仿真软件，不如模拟飞行类软件有趣、使用起来比很多软件更加复杂、想上手容易想掌握非常困难、目前很多功能还不是很完善，但是请致力于投身小型飞行器科研的读者相信：
（1）SIGMA free已经包含了我们在研制小型飞行器过程中，曾经或正在面临的大部分问题，而我们提供的基础模型和控制参数可以非常完美的复现外场实现效果。
（2）SIGMA free目前公开的软件是永久免费的，并且我们会陆续开源所提到的全部代码，包括图像处理接口、制导接口、航点接口等等。没有同步开源只是由于人手有限还没有整理清楚。
（3）SIGMA free的下一个版本是SIGMAfree+，新版本将继承老版本全部功能，同时我们将加入至少10架飞机的集群仿真的功能，并同样是免费的，再并会开源所有的代码。
（4）团队会针对每个功能模块的详细使用方法进行说明，并通过公众号和B站进行发布。
（5）团队会陆续更新我们自己制作的飞行器模型、1：1还原地图、地面目标模型等等。
（6）团队会陆续更新我们自己的相关研究成果，各类算法复现、各类科研进展、各类相关视频。
如果您喜欢SIGMAfree仿真软件和这篇文章，请关注我们的公众号和b站主页，并点赞、转发让更多的研究人员看到~再次感谢大家的支持~欢迎联系我们提出宝贵的意见和建议~
扫取二维码关注
我们在b站等你
相关软件及文档链接
SIGMA free永久免费下载链接：
http://download.dxuas.com.cn/SigmaFree/SigmaFree.zip
QGroundControl下载链接：
http://download.dxuas.com.cn/Software/QGroundControl-installer.exe
VsCode下载链接：
http://download.dxuas.com.cn/Software/VSCodeUserSetup-x64-1.80.1.exe
PX4官方文档：
https://docs.px4.io/main/en/
地面站官方文档：
http://qgroundcontrol.com/