共轴式直升机拥有着优异的性能,在结构上弥补了单旋翼的不足,降低了维护成本与安全隐患,近年来在军用、民用领域发挥着越来越大的作用。而我国的共轴式无人直升机的研制正在起步阶段,虽然我国已经有小型共轴直升机应用的案例,但是大多数的研究还处在研究模型的气动特性的阶段。在研发中,多数为针对某场景的定制化研发,并且控制算法与直升机本身参数耦合比较严重,升级维护成本较高,无法适应未来全方位、多功能化的市场需求。本研究以地球物理探测平台为背景,依托于“重载荷智能化物探专用无人直升机研制(863计划)”(项目号:2013AA063903),基于有限时间收敛的观测器技术对新型的控制算法展开研究,旨在提高共轴式直升机的控制性能。本文的研究内容主要包括:(1)在建模方面,建立了共轴直升机的刚体运动学模型以及各个部件的模型。基于叶素理论,建立旋翼的气动力模型;基于三维非线性Pitt-peters动态入流理论,通过引入干扰因子,对上下旋翼诱导速度建模,最后得到了适合设计控制算法的合力与合力矩模型。(2)在算法设计阶段,基于反步控制原理设计了位置环与姿态环的控器。为了实现对时变扰动的估计,通过设计PI型辅助滑模面,搭建了可以在有限时间收敛的滑模观测器,对时变干扰进行实时的补偿。在动力环,通过输入的动力误差经由比例-微分控制器后,通过动态反馈线性化,实现由动力环输出控制力到刚体运动学模型,进而完成闭环控制。在仿真阶段,基于三种常见的环境干扰(时变外部扰动、时变惯性参数以及传感噪声)对控制器性能进行对比,设计的对照组算法为:双环PID控制算法、传统反步法、以及基于趋近率的滑模观测器算法。验证了基于有限时间收敛终端滑模观测器的性能。(3)基于Caputo分数阶微积分推导了分数阶终端滑模观测器,随后通过Oustaloup滤波器来模拟分数阶微积分算子,并搭建了观测器simulink模型,通过观测器测试模块对不同阶次的观测器响应误差进行比较,并选择出优于整数阶的阶次用于实际的仿真。最后通过与反步法结合,在仅有外扰动情况下对基于分数阶观测器的控制算法进行了仿真,并与整数阶进行了对比。(4)基于开源飞控,搭建四旋翼算法测试平台。通过对源码二次开发并编译、链接,将编译文件上传到飞控板,通过进一步调试,完成试飞。