得益于自身简单的机械结构和集成电路、MEMS传感器、通信、自动控制等技术的发展,以四旋翼无人机为代表的多旋翼无人机近年来受到广泛关注并持续快速发展。作为一种目前比较理想的空中作业平台,四旋翼无人机可以通过携带不同的设备完成不同飞行任务。一般说来,四旋翼无人机携带任务设备的方式有两种,第一种为夹持,就是将需要携带的设备通过某种夹具与机身进行刚性连接。第二种为吊挂,就是将需要携带的设备直接通过绳索吊挂在无人机的机身下方。其中,后一种方式能够有效降低负载对无人机转动惯量的影响,同时还可避免负载外形与机身的不匹配问题。因此,研究带吊挂负载的四旋翼无人机系统具有非常重要的实用价值。本文以拓展四旋翼无人机的应用为背景需求,针对带吊挂负载四旋翼无人机控制中的若干问题开展研究,主要研究内容归纳如下:(1)针对由一个和两个四旋翼无人机构成的吊挂飞行系统分别进行受力分析并建立各自理论动力学模型。其中,针对单个四旋翼吊挂飞行系统,根据绳子张力是否为零建立了完整的混合动力学模型。对双四旋翼吊挂飞行系统则只考虑绳子张力非零的情况,同时引入作用在吊挂负载上的外界干扰,并通过分析悬停状态附近的平衡点,得到了该系统的线性化参数模型。最后,在MATLAB环境下搭建数字仿真平台,为下文的算法研究与仿真测试奠定基础。(2)对带有内环增稳系统的四旋翼无人机高度、俯仰和横滚通道进行模型辨识技术研究。首先,选用低阶线性模型来近似各通道的输入输出关系,设计一种基于递推频谱的最小二乘算法来估计未知参数,并通过真实飞行实验数据对辨识算法进行验证。接着,将辨识得到的低阶近似模型改写为状态空间方程,并对其预测能力进行检验。然后,在Simulink环境中用该状态空间方程构造四旋翼无人机外环位置控制器的性能指标,通过数值优化的方法进行位置控制器参数寻优,最后通过无人机位置跟踪实验进行验证。(3)在系统精确模型未知的情况下,研究如何控制一个带吊挂负载的四旋翼无人机成功穿过一个高度有限的“窗户”。首先,在垂直平面内对吊挂系统进行二维模型简化并选择合适的低阶近似形式。接着,基于扫频实验数据,利用之前提出的辨识方法估计出近似模型中的未知参数,并检验模型的预测能力。利用辨识出的结果,将过“窗”问题转化为无人机的轨迹优化问题,优化目标为轨迹的平滑程度,约束条件为低阶近似模型构成的动力学约束和过“窗”过程中的空间约束。最后,在几组不同约束条件下分别对该问题进行数值求解,并对其中一种求解结果进行实验验证。(4)针对双四旋翼吊挂系统容易因外界干扰而产生的摆动问题和干涉问题,设计了一个带边界约束的混合H2、H∞控制器。首先针对这两个问题介绍了该控制器的一般形式,并给出了通过线性矩阵不等式(LMI)进行求解的方法。接着,从提高吊挂系统暂态性能和鲁棒性能的角度出发,分别确定系统的H2性能输出、H∞性能输出和边界约束输出,并设计对应的性能权值矩阵。接着再通过数值方法分析调节参数α和参数γH2/H∞C对控制器性能的影响,并讨论对应的调节策略。最后通过悬停和跟踪预设参考轨迹这两个数值仿真实例,对控制器的性能进行验证。其中,吊挂系统穿过“窄门”的预设参考轨迹是通过在微分平坦空间里的数值优化得到的。仿真结果表明设计的控制器满足预期要求。(5)针对双四旋翼吊挂系统中无人机控制目标不一致的问题,设计了一个滚动纳什控制器。首先,介绍了非合作动态博弈的基本概念,在此框架下将四旋翼无人机看成是具有不同目标函数的决策主体。接着,通过为两个四旋翼无人机分别设计一个二次型目标函数,并将双四旋翼吊挂系统的线性数学模型转换成开环信息结构下的有限时间差分博弈问题。然后,再将该动态博弈问题的开环纳什均衡解和滚动优化的思想相结合,设计一种基于状态反馈的滚动纳什控制器。最后,通过两个仿真实例进行验证,结果表明该控制方法充分考虑无人机的差异性,使得系统有了更大的调节空间。