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四旋翼飞行器是一种具有六个自由度且能够实现垂直起降的旋翼无人机,它以其低成本、独特的结构机制和特殊的飞行方式等特点在军事和民用等领域得到了广泛的应用。同时四旋翼飞行器由于其多变量、非线性、强耦合和欠驱动的系统特性吸引了广大研究爱好者的关注。本文在综述了四旋翼飞行器研究现状的基础上,根据其运动学和动力学特性建立了数学模型,对四旋翼飞行器的控制算法进行了研究,将为其设计的控制器用于飞行器系统,并通过仿真和实物实验对本文研究的控制算法进行了验证和分析,提高了系统的鲁棒性和快速性。本文研究的主要内容包含以下几个方面:(1)在调研了国内外对四旋翼飞行器发展现状的基础上,针对飞行器的动力学特性,根据牛顿第二定律和合外力矩定理推出系统的数学模型,在此基础上基于实验飞行条件合理简化了飞行器的数学模型。(2)利用为四旋翼飞行器所建的数学模型,基于自抗扰技术为四旋翼飞行器设计了自抗扰控制器(ADRC)。首先对ADRC的组成结构做了详细介绍,给出了整个飞行器自抗扰控制器的结构图,然后在此基础上根据ADRC的原理为飞行器六个通道分别设计了 ADRC控制器,最后将设计的控制器进行了仿真实验。仿真结果表明,设计的控制器能够满足系统快速性和鲁棒性的要求,验证了所设计控制器的有效性。(3)考虑ADRC参数繁多且难以整定的问题,提出将线性自抗扰控器(LADRC)和模糊-自抗扰控制器(Fuzzy-ADRC)应用于飞行器系统。同时,为了把本文研究的控制算法与传统成熟的反步自适应控制算法进行对比,利用反步自适应为飞行器设计了控制器并做了简单的仿真对比试验。控制器设计过程和仿真结果表表明,所设计的LADRC控制器中参数整定容易且只有一个可调节的参数,验证了设计的控制器的合理性和有效性。(4)为了验证为四旋翼飞行器设计的LADRC控制器的有效性和实用性,在实验室现有的Qball2实物平台上进行了实时控制实验。重点实现了四旋翼飞行器的定点悬停和定点飞行实验。实验结果表明,本文设计的LADRC可以有效减少飞行器位置和姿态角的超调量以及跟踪误差,具有很好的鲁棒性且满足系统高精度的性能要求。