四旋翼飞行器是多旋翼无人机中的一种,具有机动性强、成本低等优点,近些年广泛应用在军事侦察、环境监测、交通监管、灾难搜救等领域,也一直是众多研究机构的研究热点。随着编队协同飞行等复杂问题的研究,对飞行器控制性能提出了更高要求。四旋翼飞行器由于具有耦合性、欠驱动、非线性等特点,精确的机理模型获得较为困难,为提高控制品质,本文将采用系统辨识的方法对四旋翼系统进行建模,并设计H∞控制器提升控制性能。本文的主要研究内容和贡献概括如下:(1)使用多变量渐近辨识法的理论框架,完善之前有关多旋翼辨识与控制成果。保证系统稳定的前提下设计闭环辨识实验,利用满足持续激励条件的数据对四旋翼姿态模型进行多变量辨识建模与分析。考虑辨识模型的误差与不确定性因素,基于线性矩阵不等式(LMI)方法求解设计姿态角速度多变量H∞控制器,并通过飞行实验比较对应的控制效果。与原本的控制器相比,姿态角速度跟踪误差降低了40%左右。(2)四旋翼系统是串级控制结构,姿态和位置控制合计共有四个回路。给出一种基于串级结构的H∞控制器设计方法,借助辨识实验,使主副回路辨识数据均满足持续激励条件,完成串级结构中的辨识建模和控制器设计。采用此思路对四旋翼姿态角模型和位置模型进行了多变量辨识建模与控制,通过飞行实验结果表明,姿态角与位置的控制品质有不错的提升。(3)考虑四旋翼姿态模型的非线性特性,使用线性参数可变(LPV)模型对四旋翼姿态角速度模型进行辨识建模。以姿态角作为调度变量,辨识得到不同姿态角范围的线性模型作为子模型,再通过迭代优化加权函数及子模型参数获得LPV模型。然后,利用LPV模型的顶点性质,为四旋翼姿态模型设计了增益调度H∞控制器。通过仿真实验表明,与线性H∞控制器相比,姿态环的控制品质得到了一定的提升。