图3 四旋翼无人机数学模型及接口
存储到硬盘当中。首先在每个仿真周期中 ，将本次仿真周期内 的仿真数据存储到内部缓冲区当中 ； 当仿真结束时，将内部缓 冲区的全部仿真数据以文件的形式存储到硬盘当中去 。当读取 硬盘的存储文件时，则将全部仿真数据一次性读取到内部缓冲 区中，供回放使用。回放的流程与仿真流程类似 ，不同的是数 据来源不同，前者来源于内部缓冲区中已经存在的仿真数据 ， 后者来源于仿真模型输出的仿真数据 。
d 1 d 2 d 3 d 4 x y z
图2
一个仿真周期的仿真流程图
式中， 表示滚转角，θ 表示俯仰角， ψ 表示航向角； m 为四 旋翼无人机的质量， g 为重力加速度， l 为旋翼中心到四旋翼 无人机重心的距离， k p 为升力系数， k d 为拖拉系数， ω i ， i = 1 ，2 ，3 ，4 ，为驱动电机转速， I x 、 I y 、 I z 为 3 个轴向的转动 惯量。 在 MATLAB / Simulink 环境下建立四旋翼无人机的数学模 型及接口如图 3 所示。
第2 期
周德新，等： 四旋翼无人机飞控系统仿真平台研究
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2 2 2 ¨ = （ － cosψsin + sinψsinθcos） （ k p ω2 y 1 + k p ω2 + k p ω3 + k p ω4 ） / m 2 2 2 ¨ z = （ coscosθ） （ k p ω2 1 + k p ω2 + k p ω3 + k p ω4 ） / m － g ¨ 2 2 = ［l（ k p ω4 － k p ω2 ） + θψ（ I y － I z） ］/ I x 2 2 ¨ θ = ［l（ k p ω3 － k p ω1 ） + ψ（ I z － I x） ］/ I y ψ ¨ = ［ （ I － I ） ］/ I θ （ k ω2 － k ω2 + k ω2 － k ω2 ） +
Ｒesearch on Simulation Platform of Quad － Ｒotor Aircraft Flight Control System
Zhou Dexin，Ma Tengda
（ Aeronautical Automation College，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300 ，China）
飞控系统仿真平台的硬件部分由一台 PC 机组成， 运行在 Windows 操作系统下，采用 C + + 语言，在 Microsoft Visual Studio 2008 集成开发环境下进行开发 。整体结构图如图 1 所示。 仿真平台主要由控制软件和仿真内核两部分组成 ， 其中， 控制软件主要包含主控模块 、可视化平台模块、飞行数据记录
Abstract ： In order to develop flight control system of Quad － rotor aircraft，a digital simulation platform to verify and test the flight control system is proposed． The mathematical model for Quad － rotor aircraft is constructed． The model is changed to C + + code to add to the simulation platform by using the ＲTW （ Ｒeal － Time Workshop） in the Simulink． The visual dialog is designed to show the simulation process intuitively． The simulation platform has external interface which is made by the C + + language． The control algorithm can be added to the simulation platform easily for testing and parameter tuning． The simulation platform can save the simulation data and replay the simulation process． The simulation result shows that the platform acquires good visual effect and accurate parameters，simulating and verifying the flight control system well． Key words： quad － rotor； flight control； simulation platform； mathematical model
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4598 （ 2014 ） 02042403 文章编号： 1671-
计算机测量与控制 ． 2014 ． 22 （ 2 ） Computer Measurement ＆ Control
中图分类号： TP391. 9 ； V249. 1 文献标识码： A
控制技术

流程图如图 2 所示。 3 仿真平台仿真内核设计
首先，获取输入值，包括从人机交互界面中获取飞行参数 的设定值，以及由四旋翼无人机数学模型解算出的传感器测量 值； 将这些值传递给飞行控制系统 ，由飞控系统计算出 4 个电 机的控制量，传递给四旋翼无人机数学模型 ， 进行模型解算， 得到飞行参数和传感器的测量值 ，并将传感器的测量值进行记 录，用于下一周期的仿真，形成闭环控制回路。然后将这些仿 真数据传递给可视化平台 ，对仿真数据进行显示； 最后将仿真 数据传递给飞行数据记录与回放模块 ，对仿真数据进行存储。 四旋翼无人机数学模型及接口 四旋翼无人机的数学模型 ，是四旋翼无人机飞控系统仿真 平台的重要组成部分，采用模块化思想进行设计 ，具有可替换 性。采用不同的方法对四旋翼无人机进行建模 ，选取的状态变 ［89 ］ 。因此，设计了驱动电机接口模块和传感器接 量并不相同 口模块。驱动电机接口模块负责将飞行控制系统的输出量转换 为数学模型的输入量，传感器接口模块负责将数学模型中的相 应变量转换为飞行控制系统的输入量 。 建立机体坐标系，坐标系原点为四旋翼无人机的重心 。 采 用 3 个 欧 拉 角 来 描 述 四 旋 翼 飞 行 器 的 姿 态 信 息。 参 考 文 献 ［ 10］ 和文献 ［ 11 ］ ，建立四旋翼无人机的数学模型如下 ： 2 2 2 ¨ = （ sinψsin + cosψsinθcos） （ k p ω2 x 1 + k p ω2 + k p ω3 + k p ω4 ） / m 3. 1
0830 ； 收稿日期： 20131029 。 修回日期： 2013-
2
2. 1
仿真平台控制软件设计
）， 作者简介： 周德新（ 1963女， 辽宁人， 教授， 主要从事航空电子设 备故障诊断， 四旋翼无人机飞行控制与导航方向的研究 。
主控模块 主控模块负责仿真平台的管理和运行 ，包括控制算法选择 及控制参数设定，模型选择及模型参数设定 ，飞行参数设定值 输入，仿真步长值输入，仿真或回放选择等。 该模块控制了仿真过程的进行 ，其中一个仿真周期的仿真
图1
飞控系统仿真平台整体结构图
1
总体方案设计
与回放模块； 仿真内核主要包含四旋翼无人机数学模型及接口 模块、飞控模块等。其中，控制软件部分采用 C + + 语言直接 实现； 仿真内核部分采用 MATLAB / Simulink 创建，再转化为 C + + 语言添加到仿真平台中 。 主控模块负责整个仿真平台的控制与运行 ； 可视化平台用 于将仿真过程直观的显示出来 ； 飞行数据记录与回放模块会对 仿真数据进行存储，以便仿真结束后对仿真过程进行回放 。 飞 行控制系统根据飞行参数设定值和传感器的测量值 ，根据控制 算法得出 4 个电机的控制量用于对四旋翼无人机进行控制 ； 四 旋翼无人机数学模型则根据驱动电机接口传来的电机控制量以 及上一次的传感器测量值进行模型结算 ，得到新的飞行参数和 传感器测量值，通过传感器接口反馈给飞行控制系统 。
四旋翼无人机飞控系统仿真平台研究
周德新，马腾达
（ 中国民航大学 航空自动化学院 ，天津 300300 ）
摘要： 为了便于对四旋翼无人机的飞行控制系统进行开发 ，设计了一个用于验证飞行控制系统的全数字仿真平台 ； 建立了四旋翼无 人机的数学模型，利用 Simulink 下的 ＲTW （ Ｒeal － Time Workshop） 工具箱将数学模型转化为 C + + 代码添加到仿真平台中； 设计了可视 化平台，可将仿真过程直观的进行显示 ； 仿真平台采用 C + + 语言实现， 具有良好的外部接口， 可方便的将设计好的飞行控制算法添加 到仿真平台中，以进行验证和参数整定 ，还具有数据存储和仿真过程回放等功能； 经实际运行表明， 仿真平台直观可视， 运行良好， 能 较好地对飞控系统进行仿真验证 。 关键词： 四旋翼； 飞行控制； 仿真平台； 数学模型
利用 Simulink 的 ＲTW （ Ｒeal － Time Workshop ） 工 具 箱， ［1213 ］ ， 进行简单的封装后， 将 Simulink 模型转化为 C + + 代码 添加到仿真平台的项目工程文件当中 。 数学模型中的一些参 数，可以在仿真平台中进行更改 。 该仿真平台具有良好的开放性 ，可以建立多个不同的四旋 翼无人机数学模型，采用同样的方法转化为 C + + 代码后， 添 加到该仿真平台中去，以用于对不同机型的仿真验证 。 3. 2 飞行控制系统模块 飞控系统是四旋翼无人机最关键的系统，控制着四旋翼无人 机的姿态和位置，其中，姿态控制是位置控制的前提和保证。本