四旋翼无人机因其结构简单、可垂直起降、维护使用方便等原因被广泛地应用到多元场合,但随着任务要求不断提高,对单无人机的控制要求也迅速上升,而多无人机协同编队因其对个体无人机任务要求低、作业区域大、效率高等优点,受到了更多重视与研究。本文将无人机编队应用在农业植保问题中,以农药喷洒为主要场景进行四旋翼飞行控制与编队控制研究,主要工作内容及贡献如下:(1)四旋翼单机性能对编队控制的效果有较大影响,因此对四旋翼无人机在控制稳定性、跟踪精确度和响应速度方面提出了较高的要求,本文选择四旋翼无人机作为实验平台,对其小角度或悬停状态下的物理模型进行分析。考虑农药喷洒场景下无人机与负载总质量实时变化的需求,对无人机质量进行自适应估计,并将反步法和分数阶串级PID控制分别应用在位置环和姿态环控制,Matlab仿真结果表明自适应方法能快速准确地跟踪上真实质量,与传统PID控制算法的比较结果表明,本文算法对高度控制更稳定,轨迹跟踪效果优势显著,在稳定时间、超调和静态误差方面都有明显优势。(2)在编队控制的多种主流方法研究基础上,提出了含耦合项的虚拟结构法,将其与行为法相结合,利用代价函数对变质量无人机编队进行控制,通过权值参数平衡自主避障、编队保持与任务完成三者之间的优先级关系。论文首先分析了含耦合项虚拟结构法的稳定性,接着在Matlab平台上进行了仿真,实验结果表明验含耦合项的虚拟结构法能有效减小外界干扰对个体无人机飞行轨迹的影响,同时在实现自主避障的前提下,含耦合的虚拟结构法能让无人机更好地保持编队队形,保持任务目标朝向。(3)农药喷洒场景可以被认为是区域覆盖问题下的一个应用,本文在研究了多篇关于区域覆盖问题的文献后,提出了变质量无人机的一字型“Z”字编队方法,本文方法与相关文献方法的对比结果表明,本文算法在作业效率、省电省药和编队避碰问题方面很有优势。尽管本文以矩形区域为例,但以“宽度最小“为原则,本文算法可以推广到多边形区域覆盖问题中。而在无人机编队飞行之前,考虑无人机个体出发点可能不同,提出了利用Dubins曲线实现无人机编队集结,以能量消耗最少、集结到达时间相同为目标,解算最佳路径,并通过在直线段调整无人机速度实现集结时间的一致性。基于上述分析与仿真实验验证,本文算法为农业植保问题下农药喷洒场景提供了一种解决方案,算法计算量小,控制结构简单也为工程实现提供了更多可能,同时该编队集结、编队控制算法也可应用到如区域排雷、巡检、地图绘制等区域覆盖问题中;变质量无人机的控制提升了无人机个体的飞行性能和适用场景。