四旋翼无人机凭借垂直起降、空中悬停和高机动性的优势,近年来在侦察打击、电子对抗、环境监测、航拍测绘等军事和民用领域发挥着越来越重要的作用,并且逐渐成为近年来的研究热点。然而,四旋翼无人机是一类典型的多变量非线性系统,具有强耦合和欠驱动的特性。由于其体积小、重量轻的原因,导致四旋翼无人机对外界干扰更敏感。此外,四旋翼无人机的飞行环境复杂多变,极易造成元部件的故障,这将严重威胁其飞行安全和任务顺利完成。因此,本文以四旋翼无人机为研究对象,对其鲁棒抗扰和容错控制问题展开研究,主要内容如下:1.建立了四旋翼无人机的非线性数学模型。在四旋翼无人机两个相关坐标系及其转换关系的基础上,分别建立了刚体模型、控制效率模型、动力单元模型,并结合参数辨识方法确定了四旋翼无人机相关参数。最后,通过数值仿真验证了所建模型的有效性。2.提出了基于区间观测器的鲁棒跟踪控制策略。首先建立了含有未知时变干扰的四旋翼无人机非线性数学模型。然后设计非线性区间观测器对未知干扰进行估计,与传统干扰观测器不同,区间观测器能够覆盖每一时刻扰动的可能值,尤其是在系统误差完全收敛之前。最后,基于Lyapunov稳定性理论和反步控制方法,设计了四旋翼无人机抗干扰轨迹跟踪控制器。数值仿真表明,所设计的抗干扰跟踪控制方案能够提高四旋翼无人机的抗干扰能力,具有良好的轨迹跟踪性能。3.提出了基于补偿思想的鲁棒容错跟踪控制策略。首先建立了含有未知干扰和执行器失效故障的四旋翼无人机数学模型。其次,针对仅存在干扰下的四旋翼无人机设计标称控制器,使用区间观测器来估计外界干扰。然后,针对执行器部分失效故障,通过构造补偿项以降低其负面影响。最后,在反步控制方法的框架下,设计了四旋翼无人机鲁棒补偿容错跟踪控制器。仿真结果表明,所设计的控制器能够抑制未知干扰和执行器失效故障对飞行性能的影响,实现令人满意的跟踪效果。4.四旋翼无人机跟踪飞行实验。首先详细阐述了实验平台硬件组成与软件架构,然后使用基于模型设计的思想将反步控制方法应用在四旋翼无人机的飞行控制器中,依托Matlab和Simulink仿真平台,将仿真程序转化为嵌入式代码并开展了轨迹跟踪软件在环仿真实验,验证了基于模型开发模式的可行性。最后,进行了四旋翼无人机抗干扰姿态跟踪实验,结果表明所设计的姿态控制器能够保证四旋翼无人机飞行姿态稳定。