四旋翼无人机是一种能实现垂直起降的非同轴式多旋翼无人机,由蝶形分布的四个独立电机驱动系统作为飞行的动力源。由于具有结构简单、操控性强、灵活机动等诸多优势,四旋翼无人机具有广阔的应用前景。然而,从控制系统角度来看,四旋翼无人机系统是一个多变量、非线性和强耦合的典型欠驱动系统,在控制系统设计和系统性能分析方面存在着一定的挑战性。因此,研究四旋翼无人机控制方法不仅具有理论价值而且还具有应用价值。四旋翼无人机控制系统可以分为位置环和姿态环控制,相对位置环控制,姿态环控制系统分析和设计更为复杂,控制性能也要求更高。为了提高四旋翼无人机姿态系统的动态和稳态性能,国内外的诸多学者都对该飞行器姿态的控制方法做了大量的研究,尝试采用各种非线性控制方法。有限时间控制技术作为近年来新发展的一种非线性控制方法,由于具有收敛速度快和抗扰动能力强的特点,得到众多学者的关注和研究。因此,本文的主要出发点将利用这种新的控制方法来设计四旋翼飞行器姿态控制系统,以改善无人机姿态系统的动态和稳态性能。本文首先介绍了四旋翼无人机的研究现状和有限时间控制理论。针对四旋翼无人机系统进行了简单的建模分析,分析了无人机系统的工作原理、姿态控制系统、以及电机模型。针对四旋翼无人机姿态系统,介绍了几种常见的姿态描述方法,即方向余弦方法、欧拉角方法、四元数方法。并根据不同的姿态模型,分别基于有限时间控制技术研究了四旋翼无人机的姿态控制问题。首先,基于欧拉角姿态模型,根据四旋翼无人机姿态调整中偏航角比滚动角、俯仰角转动缓慢的特性,进行了基于姿态运动特点的姿态轨迹规划,提出了姿态解耦控制策略和姿态轨迹规划方法,并利用有限时间控制理论设计了姿态有限时间跟踪控制算法。然后,本文考虑了某些飞行环境下角速度需要受限的姿态控制问题。基于四元素姿态模型特点,利用齐次系统理论和有限时间控制理论,设计了姿态角速度受限下的有限时间姿态控制算法,可实现有限时间姿态稳定,又可满足姿态角速度约束条件。最后,搭建了四旋翼无人机姿态控制实验平台,包括硬件和软件设计进行了四旋翼无人机姿态控制方法的实验验证。