四旋翼飞行器是当下十分热门的话题。作为执行器的无刷直流电机长时间处于高速旋转状态,极易发生故障。为保证有无故障情况下四旋翼飞行器都能独立自主完成任务,对其进行跟踪控制和容错控制研究是很有必要的。本文采用内外环控制结构,通过反步法得到位置控制器和姿态控制器,实现稳定轨迹跟踪。进一步考虑执行电机发生偏差故障,基于滑模观测器设计容错控制器对故障容错。最后结合人群搜索算法对容错控制进行优化。具体研究内容如下:1.跟踪控制设计。首先通过牛顿第二定律和欧拉方程分别建立四旋翼飞行器的位置和姿态模型。由于四旋翼飞行器是一种典型的欠驱动系统,为了避免间接驱动控制结构下欠驱动控制律设计复杂的问题,本文基于内外环控制结构,采用反步法分别设计沿空间三轴的三个位置控制输入,并通过计算得到外环的位置控制器(欠驱动控制律)。内环横滚角和俯仰角的期望轨迹由外环位置控制输入计算得到。仍然采用反步法设计内环的姿态控制器。通过理论和仿真对比突出内外环结构下欠驱动控制律表达式简洁及跟踪更为快速的优势。2.容错控制设计。四个作为执行机构的无刷直流电机分别驱动四个螺旋桨旋转来产生四旋翼飞行器的位姿变化。当执行电机长时间运转,极易发生故障。本章对四旋翼飞行器在执行电机发生故障下的容错控制问题进行研究。首先将四个带有偏差故障的无刷直流电机动态加入四旋翼飞行器的模型中进行模型改进。接着设计滑模观测器对故障进行检测和重构,进而设计容错控制器补偿故障,保证四旋翼飞行器在发生执行器故障的情况下仍能实现稳定的位姿跟踪和电机转速跟踪。仿真结果验证了所设计滑模观测器及容错控制器的有效性。3.基于人群搜索算法的容错控制设计。为了实现对容错控制设计中相关控制器参数的优化,首先初始化人群并选取合适的适应度函数,通过计算每个个体的搜索方向和搜索步长确定下一步迭代的新位置。经过有限次迭代,找到一组最佳控制参数,使四旋翼飞行器四个螺旋桨中电机的转速具有更好的动态特性,提高了其执行机构的综合性能。