【开发者导航】专注无人机集群通信的 Python 仿真平台：UavNetSim-v1

在无人机集群通信研究与开发中，科研人员和工程师常面临两大核心难题：一方面，真实无人机集群部署成本高、环境可控性差，难以快速验证通信协议设计的合理性；另一方面，现有通用网络仿真工具（如 NS-3、OMNeT++）对无人机移动特性、能量消耗的建模支持不足，需大量二次开发才能适配无人机场景，导致仿真效率低、学习门槛高。UavNetSim-v1 作为基于 Python（SimPy）的专用无人机通信网络仿真平台，通过分层网络建模与全面的无人机特性模拟，完美解决这些痛点，为无人机集群通信研究提供高效、灵活的仿真工具。

UavNetSim-v1 是什么？

UavNetSim-v1 是一款专为无人机集群通信场景设计的开源仿真平台，基于 Python 的离散事件仿真库 SimPy 开发，核心目标是为科研与工程人员提供 “低门槛、高贴合度” 的无人机通信网络仿真环境。它覆盖无人机通信的全层级模型（网络层、MAC 层、物理层），同时内置精细化的无人机移动性模型（如编队飞行、路径规划）与能量消耗模型（通信耗能、飞行耗能），支持从协议设计验证、性能指标评估到仿真结果可视化的全流程需求，适用于无人机集群通信相关的学术研究、工程开发与教学演示场景。

核心功能

UavNetSim-v1 主要面向无人机通信领域的科研人员、通信协议开发者、高校相关专业学生，无论是验证新型通信协议在集群中的表现，还是评估无人机网络的抗干扰能力，都能通过其功能高效完成仿真任务。

• 分层通信网络建模 —— 完整实现无人机通信的三层核心架构：

• • 物理层：模拟无线信号传播损耗（如路径损耗、阴影衰落）、信道干扰与噪声，支持不同调制解调方式（如 QPSK、16QAM）的参数配置；

• • MAC 层：提供 TDMA、CSMA/CA 等经典无线 MAC 协议模型，支持自定义协议逻辑，模拟信道接入冲突与资源分配机制；

• • 网络层：支持 AODV、DSR 等适用于移动场景的路由协议，可模拟无人机节点移动导致的路由切换、数据丢包与延迟。

• 精细化无人机特性模拟 ——

• • 移动性模型：内置编队飞行（如矩形、三角形编队）、随机游走、预设路径等多种移动模式，支持自定义无人机速度、加速度与轨迹，贴合真实集群运动场景；

• • 能量消耗模型：分别建模无人机飞行耗能（与速度、负载相关）、通信耗能（与传输功率、数据量相关），实时计算节点剩余电量，可模拟低电量节点的退出与补位逻辑。

• 灵活的仿真配置与扩展 —— 提供 JSON/YAML 格式的配置文件，支持快速调整仿真参数（如无人机数量、通信半径、协议类型、仿真时长）；同时预留自定义接口，可扩展新的协议模型、移动模式或性能指标，适配个性化研究需求。

• 多维度性能评估 —— 自动统计仿真过程中的核心性能指标：

• • 通信性能：数据传输速率、丢包率、端到端延迟、抖动；

• • 网络可靠性：路由成功建立率、干扰耐受能力、节点连通性；

• • 资源消耗：节点平均能耗、信道利用率、电量耗尽节点比例，支持指标数据导出为 CSV/Excel 格式，便于后续分析。

• 直观的可视化分析 —— 集成 Matplotlib 与 Animations 库，提供两种可视化输出：

• • 实时动态仿真：动画展示无人机集群移动轨迹、数据传输过程（如数据包从源节点到目的节点的路径）、干扰区域标记；

• • 静态结果图表：自动生成性能指标随时间变化的曲线（如延迟 - 时间曲线、能耗 - 节点数量曲线）、网络拓扑结构图，直观呈现仿真结论。

• 轻量 Python 生态依赖 —— 基于纯 Python 开发，核心依赖仅 SimPy、Matplotlib、NumPy 等常用库，无需复杂编译流程，通过 pip 即可完成环境搭建，支持 Windows、macOS、Linux 跨平台运行。

使用场景

不同身份的用户在无人机通信网络相关研究与开发中，都能通过 UavNetSim-v1 提升工作效率，以下为典型使用场景及推荐指数。

人群 / 角色	场景描述	关键步骤要点	推荐指数
科研人员	设计新型无人机集群路由协议，需验证协议在高移动性场景下的延迟与丢包率	1. 在配置文件中设置仿真参数（如 50 个无人机节点、随机游走移动模式）；2. 通过自定义接口集成新型路由协议代码；3. 运行仿真，收集端到端延迟、丢包率数据；4. 对比传统 AODV 协议的性能指标，生成对比图表	★★★★★
通信协议工程师	优化无人机 MAC 层信道分配策略，评估抗干扰能力	1. 搭建含干扰节点的仿真场景（如 10 个正常节点 + 5 个干扰节点）；2. 配置自定义 MAC 协议的资源分配逻辑；3. 运行仿真，统计信道利用率、冲突次数；4. 调整协议参数（如时隙长度），迭代优化性能	★★★★★
高校学生	完成无人机网络课程设计，模拟编队飞行中的通信可靠性	1. 选择矩形编队移动模型，设置 20 个无人机节点，通信半径 500m；2. 启用 AODV 路由协议与 CSMA/CA MAC 协议；3. 运行仿真并生成动态动画，观察编队移动时的节点连通性；4. 导出能耗数据，完成课程报告	★★★★☆
系统方案设计师	评估无人机巡检网络的续航能力，确定最优节点数量	1. 配置预设巡检路径（如沿输电线路的折线轨迹），设置不同节点数量（10/20/30 个）；2. 启用能量消耗模型，仿真时长 2 小时；3. 统计不同节点数量下的电量耗尽比例、任务完成率；4. 确定兼顾续航与效率的最优节点配置	★★★★☆

操作指南

UavNetSim-v1 基于 Python 生态设计，遵循以下步骤，3 分钟内可完成环境搭建与基础仿真运行。

1. 环境准备：

• • 确保本地安装 Python 3.8 及以上版本，打开终端（Windows 用 CMD/PowerShell，macOS/Linux 用 Terminal）；

• • 访问 UavNetSim-v1 GitHub 地址（https://github.com/Zihao-Felix-Zhou/UavNetSim-v1），克隆项目：git clone https://github.com/Zihao-Felix-Zhou/UavNetSim-v1.git；

• • 进入项目目录，安装依赖：pip install -r requirements.txt（依赖包含 SimPy、Matplotlib、NumPy、PyYAML 等）。

1. 配置仿真参数：

• • 打开项目目录下的configs/sample_config.yaml文件，根据需求修改核心参数：

• • • drone_count：无人机节点数量（默认 10）；

• • • mobility_model：移动模式（可选formation/random_walk/waypoint）；

• • • communication_range：通信半径（默认 500m）；

• • • simulation_duration：仿真时长（默认 300 秒）；

• • • enable_energy_model：是否启用能量消耗模型（默认 True）。

1. 运行基础仿真：

• • 在终端执行主程序：python main.py --config configs/sample_config.yaml；

• • 仿真过程中，终端会实时打印进度（如 “当前时间：100s，已传输数据包：230 个”）；

• • 仿真结束后，自动生成两类输出：

• • • 结果数据：保存至results/目录，包含性能指标 CSV 文件（如delay_stats.csv）；

• • • 可视化文件：动态仿真动画（simulation_animation.mp4）与静态图表（performance_curves.png）保存至visualizations/目录。

1. 自定义扩展（可选）：

• • 若需添加新路由协议：在src/protocols/network_layer/目录下新建协议类，继承BaseRoutingProtocol，实现route_discovery、route_maintenance方法；

• • 若需自定义移动模式：在src/models/mobility/目录下新建移动类，继承BaseMobilityModel，实现update_position方法，更新无人机实时坐标；

• • 扩展后在配置文件中指定新类名（如mobility_model: CustomWaypointModel），即可生效。

1. 结果分析：

• • 用 Excel 打开results/目录下的 CSV 文件，查看详细性能数据；

• • 打开visualizations/目录下的动画与图表文件，直观分析仿真过程与结论；

• • 若需对比不同参数的仿真结果，可修改配置文件后多次运行，对比多组结果数据。

支持平台

UavNetSim-v1 基于纯 Python 开发，支持所有能运行 Python 3.8 + 的操作系统：

• Windows：支持 Windows 10/11，无需额外配置环境变量，通过 CMD/PowerShell 即可运行；

• macOS：支持 macOS 10.15+（Catalina 及以上），适配 Intel 与 Apple M 系列芯片；

• Linux：支持 Ubuntu 18.04+、CentOS 8 + 等主流发行版，可在服务器端批量运行仿真任务。

平台对硬件配置要求低，普通办公电脑（4GB 内存、双核 CPU）即可流畅运行 20 节点以内的仿真任务；若需模拟 100 节点以上的大规模集群，建议提升内存至 8GB 以上，以保证仿真效率。

产品定价

UavNetSim-v1 是一款开源免费的无人机通信网络仿真平台，遵循 MIT 开源协议，用户可免费从 GitHub 获取完整源代码、配置文件与示例项目，无需支付任何费用。用户可自由用于学术研究、商业项目开发或教学演示，也可基于源代码进行二次开发与定制（需遵守开源协议，保留原作者版权信息）。项目暂未提供付费增值服务，所有核心功能（分层建模、可视化分析、自定义扩展）均对用户完全开放。

常见问题

Q：运行仿真时提示 “ModuleNotFoundError: No module named'simpy'”，该如何解决？

A：这是由于未安装项目依赖库。需重新执行依赖安装命令：pip install -r requirements.txt，确保命令行处于项目根目录（包含requirements.txt文件的目录）；若安装缓慢，可添加国内 PyPI 源：pip install -r requirements.txt -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple。

Q：如何调整无人机编队的形状与飞行速度？

A：在配置文件（如sample_config.yaml）的mobility部分修改参数：

• 调整编队形状：设置formation_type为rectangle（矩形）、triangle（三角形）或hexagon（六边形）；

• 调整飞行速度：修改speed参数（单位：m/s），例如speed: 5表示无人机以 5 米 / 秒的速度飞行；

• 调整编队间距：设置formation_spacing参数（单位：m），控制节点间的距离，例如formation_spacing: 100表示节点间距 100 米。

Q：能否模拟无人机节点的故障与修复逻辑（如临时断连后重新加入集群）？

A：支持。可通过两种方式实现：

1. 配置文件快速设置：在drone_config中添加fault_rate（故障概率）与repair_time（修复时长）参数，仿真过程中会随机触发节点故障，故障节点暂停通信与移动，修复时长后恢复正常；

1. 自定义代码扩展：在src/models/drone.py的Drone类中添加trigger_fault与repair_fault方法，手动控制特定节点的故障时机与修复逻辑，适配精准的故障场景测试。

开发者小结

UavNetSim-v1 的核心优势在于 “场景贴合度高” 与 “使用门槛低”：一方面，通过分层网络建模与精细化无人机特性模拟，完美适配集群通信的真实需求，避免通用仿真工具的二次开发成本；另一方面，基于 Python 生态与 SimPy 框架，实现轻量化部署与直观可视化，让非专业仿真人员也能快速上手。尤其适合无人机通信领域的科研与教学场景，可大幅缩短协议验证与性能评估的周期。

不过，平台目前对超大规模集群（500 节点以上）的仿真效率有待优化，且暂不支持三维空间（仅支持二维平面）的无人机移动建模；对于需模拟 3D 飞行轨迹（如垂直起降、高度分层）的场景，需通过自定义扩展实现。总体而言，UavNetSim-v1 是无人机集群通信仿真的优质工具，对中小规模、二维场景的仿真需求覆盖全面，是科研与工程人员的理想选择。