针对存在阵风干扰及未建模特性下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制, 基于非线性滑模控制技术, 结合条件积分思想及Lyapunov稳定性理论设计了一种位姿双环条件积分滑模控制器。在获得四旋翼非线性动力学模型后对其进行线性化, 简化被控对象数学模型, 提高控制器设计效率。利用条件积分滑模控制律设计了位置环和姿态环的轨迹跟踪控制器, 实现了控制系统的全局渐近稳定。通过仿真算例验证了所设计控制器的有效性, 结果表明: 与其他控制器相比, 所设计的控制器具有较高的控制精度、较强的抗干扰性及鲁棒性, 可有效抑制系统振动、消除静态误差,并实现四旋翼飞行器的高性能轨迹跟踪。

为了补偿四旋翼飞行器的参数不确定性和扰动, 提出一种四旋翼飞行器速度的线性自抗扰控制方法。首先, 分析了四旋翼飞行器的动力学模型, 质心在惯性坐标系中的z轴线速度采用一阶自抗扰控制, x轴和y轴线速度采用比例加前馈控制, 并利用李雅普诺夫函数证明了三轴速度环控制系统渐近稳定。然后, 分析虚拟姿态角度求解, 采用二阶线性自抗扰控制实现3个方向姿态角跟踪, 证明了二阶线性自抗扰控制系统的稳定性。最后, 仿真实验表明, 与PD控制的系统相比, 四旋翼飞行器的速度自抗扰控制系统3个轴的线速度跟踪更快、无超调且跟踪误差小; 3个方向姿态角的收敛速度更快、跟踪误差小。

针对四旋翼无人机会受到电池欠压及转动惯量变化的影响,提出一种分数阶模型参考自适应 (FO-MRAC)PD控制算法,用以解决无人机姿态控制的问题。首先,对带有电机模块的无人机非线性运动方程进行分析,构建包含时变及不确定因素的控制模型; 然后,分别设计了俯仰、滚转和偏航的3个通道控制律,并通过Lyapunov方法证明其稳定性;最后,通过与传统PD控制、整数阶模型参考自适应控制的对比仿真实验,证明了分数阶模型参考自适应PD控制的优越性,能有效消除误差,改善动态性能并提高稳定性。

为了解决四旋翼飞行器轨迹跟踪中状态量收敛速度慢、易发散等问题, 提出了一种双环混合有限时间控制策略。根据Newton-Euler方程推导出四旋翼的动力学模型, 再根据时间尺度原理将其分为内外两个控制环。外环采用有限时间控制策略来加快三轴位置量与偏航角的收敛速度; 内环采用快速非奇异终端滑模控制技术来实现姿态角的快速收敛。搭建了四旋翼的虚拟样机, 在三维仿真环境下模拟其轨迹跟踪控制效果。由仿真结果可知: 与其他两种常见的控制器相比, 所设计的控制器的控制精度、鲁棒性以及跟踪效果均最好, 并且能较好地满足四旋翼轨迹跟踪控制的需求。

针对含有建模不确定性与外界扰动下的四旋翼飞行器轨迹跟踪控制问题, 提出了一种结合连续快速非奇异终端滑模控制与线性自抗扰控制的控制策略。用Newton-Euler方程获得四旋翼飞行器的动力学模型, 将其分成内环与外环两个控制回路: 内环采用连续快速非奇异终端滑模控制来实现姿态角的快速收敛; 外环采用线性自抗扰控制来抑制外界干扰和实现高精度轨迹跟踪。同时, 分析了内外环控制器的稳定性。最后, 通过仿真算例与飞行试验验证了所提控制策略的有效性。结果表明, 所提方法响应速度快, 具有较好的鲁棒性、较高的控制精度与较强的抗干扰能力, 能够满足四旋翼飞行器轨迹跟踪控制的需求。

针对四旋翼飞行器在室内无卫星信号的条件下，飞行器悬停定点时水平方向控制范围精度不高的问题，提出了一种基于Blob分析的四旋翼飞行器悬停方法。所提方法是通过安装在飞行器底部的Openmv机器视觉模块检测而获得水平位置信息，经过干扰信号滤波处理和IMU数据融合校准后获得水平速度，实现了飞行器室内色块定点悬停。实验以PXhawk飞控为测试平台，通过采用增量式PID控制算法得到了较好的控制精度。实验结果表明：基于Blob分析的四旋翼飞行器悬停方法有效地提高了水平偏移精度，水平偏移范围在±5 cm之间，验证了所提方法的可行性。

针对四旋翼飞行器的轨迹跟踪控制问题，设计了一种互联与阻尼分配无源控制（IDA-PBC）的控制器实现轨迹跟踪控制。首先，采用牛顿—欧拉法对四旋翼飞行器进行数学建模；然后，在IDA-PBC控制器中引入收缩性（Contraction）定理应用于轨迹跟踪；最终，通过计算机仿真验证了所设计的IDA-PBC控制器的有效性、跟踪性能以及鲁棒性能。仿真结果表明，IDA-PBC控制器不仅可以有效地完成四旋翼飞行器的跟踪控制任务，而且通过与PID控制器进行仿真对比发现，IDA-PBC控制器还具有收敛速度快、跟踪误差低、鲁棒性强等优点。四旋翼飞行器的IDA-PBC控制器使系统具有较好的稳态性能与动态性能，满足四旋翼飞行器的跟踪控制要求。

针对四旋翼飞行器传统PID控制系统存在的响应慢、抗干扰能力差、超调较大等问题, 将模型算法控制（MAC）引入传统PID控制系统, 以改善控制系统的动静态性能。将不完全微分PID控制器与MAC控制器相结合, 构成串级闭环控制系统:将不完全微分PID控制器作为内环控制, 实现对横滚角和俯仰角的姿态控制;将MAC作为外环控制, 实现对位置以及偏航角的控制。仿真结果表明该方法与传统PID控制相比, 其超调量小、响应速度快、响应曲线平滑。

四旋翼飞行器姿态信息的准确性直接影响飞行器的飞行控制效果。介绍了四旋翼飞行器姿态解算常用的梯度下降与互补滤波融合算法和自适应互补滤波算法的原理, 并基于自主研发的IMU系统对两种算法的静态与动态解算效果进行了实际测量和对比分析。实验结果表明, 自适应互补滤波算法在两种情况下的滤波效果均优于梯度下降与互补滤波融合算法。

针对四旋翼飞行器的非线性飞行控制模型, 提出了一种新改进的量化因子自整定二维直接控制量型模糊PID控制器。通过分析量化因子与模糊控制器输入输出的模糊逻辑关系, 对量化因子分别设计模糊整定器并确定了相应的模糊输入量以及模糊规则表, 然后利用自整定算法实现量化因子在线实时调整。通过对四旋翼飞行器进行动力学建模以及控制通道分析, 进行了姿态飞行控制仿真实验。与传统PID型模糊控制器相比, 本文设计的控制器在动态响应速度及抗外界干扰性能方面效果更优。