在信息科技迅速发展,互联网和人工智能日趋成熟的今天,无人机在农业领域、商业领域以及军事领域中扮演着重要的角色,大量与旋翼式无人机相关的需求也越来越复杂。因此,四旋翼无人机成为了各大高校以及公司争相研究的热点。四旋翼无人机是一种成本低、操控性好、用途广泛的新型无人飞行器,其核心技术是飞行控制系统,稳定性高、耦合性低的飞行控制系统是四旋翼无人机研究的重点。仿真技术是分析系统行为、揭示系统运动规律的重要手段,近年来得到迅速发展。半物理仿真相较于全数字仿真,具有更高的真实度,是提高四旋翼无人机飞行控制系统研究效率的一种重要方法。四旋翼无人机飞控系统的设计不仅要考虑无人机自身的稳定性,也要考虑飞行环境对其的影响。由于四旋翼无人机重量较轻,在自然风的作用下,经常偏离其正常的飞行位置和飞行姿态,甚至对飞行安全性造成影响。自然风的仿真多采用局部地区实测方法,不具有普遍性。四旋翼无人机全数字仿真不利于研究者发现问题,且四旋翼无人机物理仿真成本较高。针对上述问题,本文取得了以下成果:(1)提出了自然风数字模型的构建方法,通过研究自然风的特征,在MATLAB/Simulink工具下融合基本风、渐变风、阵风和随机风来构建自然风模型,将其作为无人机飞行控制系统的扰动因素。(2)采用遗传算法优化模糊PID(Proportion Integral Derivative)控制器,通过对比期望数据与实际数据的差别,对模糊规则进行优化。(3)提出了四旋翼无人机半物理仿真平台的构建方法,采用六自由度转台和MPU6050姿态测量传感器作为核心部件,并通过此平台对经典PID控制器、模糊PID控制器和优化后的模糊PID控制器进行对比测试。实验结果表明,本课题建立的自然风模型符合自然风特征,且在自然风模型扰动下,基于遗传算法优化的四旋翼无人机飞行控制系统相较于经典PID控制器与模糊PID控制器,能够使无人机的飞行姿态更加稳定。基于半物理仿真平台研发四旋翼无人机飞控系统,可通过飞行软件仿真减少实际飞行调试,节省开发时间,并通过硬件仿真增强调试的真实度,是无人机飞控系统开发的良好方法。