【摘 要】
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四旋翼无人机具有机械结构简单、能够实现垂直起降等特点，因此在民用、商用、军用领域都有广泛的应用。然而，四旋翼无人机是一个非线性、欠驱动、强耦合的系统，而且在实际飞行中易受诸多干扰因素的影响，因此很难获得四旋翼无人机的精确模型，这给四旋翼无人机的自主飞行控制带来了很大的挑战。本文针对四旋翼无人机的建模和轨迹跟踪控制两个问题展开研究，主要研究内容如下: (1)研究了风场扰动下四旋翼无人机的建模方法。
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四旋翼无人机具有机械结构简单、能够实现垂直起降等特点，因此在民用、商用、军用领域都有广泛的应用。然而，四旋翼无人机是一个非线性、欠驱动、强耦合的系统，而且在实际飞行中易受诸多干扰因素的影响，因此很难获得四旋翼无人机的精确模型，这给四旋翼无人机的自主飞行控制带来了很大的挑战。本文针对四旋翼无人机的建模和轨迹跟踪控制两个问题展开研究，主要研究内容如下:
(1)研究了风场扰动下四旋翼无人机的建模方法。采用牛顿欧拉方法建立了简化的四旋翼位置和姿态动力学模型;然后将这两部分的线性部分定义为名义动态模型，并利用高斯过程模型对非线性部分和未建模的动力学系统进行了学习，从而建立了基于高斯过程学习的四旋翼无人机动态模型。这种将牛顿欧拉方法和数据驱动相结合的建模方法不仅使模型更加精确，而且通过协方差形式描述了模型的不确定性。仿真实验表明该建模方法的有效性。
(2)提出了一种风场扰动下的四旋翼无人机轨迹跟踪控制方法。采用分层的控制结构，即内环为姿态子系统，外环为位置子系统;分别根据位置和姿态子系统的名义模型和学习获得的高斯过程模型，设计基于高斯过程模型预测控制器。仿真实验结果验证了该方法的有效性。同时将该方法同不考虑名义模型的高斯过程模型预测控制方法进行比较，仿真实验结果表明本文提出的基于名义模型的高斯过程模型预测控制方法在轨迹跟踪控制时具有更高的精度。
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