近年来,多旋翼飞行器以其体积小、可垂直起降、机动灵活等特点,已经在对敌作战、航空摄影、快递运输等军事、民用领域得到广泛的应用。根据执行机构是否可倾转,可将多旋翼飞行器分为固定倾角多旋翼飞行器和变倾角多旋翼飞行器。固定倾角多旋翼飞行器包括四旋翼飞行器、六旋翼飞行器、八旋翼飞行器和共轴六桨飞行器等,其动力学特性分析具有很大的相似性。变倾角多旋翼飞行器以倾转式三旋翼飞行器为主要代表,机械构型和力矩分配原理与固定倾角多旋翼飞行器存在较大的区别,其作为一种新构型多旋翼飞行器,具有体积小、能耗低、机动性好等优点。本文以四旋翼飞行器和倾转式三旋翼飞行器为例分别对固定倾角多旋翼飞行器和变倾角多旋翼飞行器进行研究。为了保持四旋翼飞行器的姿态稳定,需要电机和螺旋桨持续快速响应,这使得其发生故障的几率大大提高。与四旋翼飞行器相比,倾转式三旋翼飞行器的尾部通常装有一个可倾转舵机以实现力矩平衡,舵机的持续摆动使得其成为三旋翼飞行器发生故障几率最大的执行机构。由于四旋翼飞行器和倾转式三旋翼飞行器均是典型的非线性系统,具有静不稳定、欠驱动、强耦合等特点,一旦发生上述故障,飞行稳定性会急剧下降,甚至失控。如何保证多旋翼飞行器在发生故障的情况下仍能得到有效控制,正成为多旋翼飞行器领域的研究热点。针对多旋翼飞行器执行器发生故障时的容错控制,主要方法通常包括主动容错控制和被动容错控制两种。主动容错控制通常需要进行故障诊断,故障隔离和故障重构等步骤,被动容错则依赖于控制算法的鲁棒性抵消故障影响。前者针对不同故障“对症下药”,控制效果好,但所需计算量很大,工程实现较为困难,相关验证主要通过数值仿真实现;后者结构简单,计算复杂度低,应用较为广泛,但容错效果较前者差。因此,如何设计高效的容错控制方法仍然具有很大的挑战性。围绕当前多旋翼飞行器容错控制亟需解决的问题,本论文以四旋翼飞行器和倾转式三旋翼飞行器为主要研究对象,针对执行器发生部分失效或堵塞故障时的容错控制问题进行了深入研究,研究内容主要由以下几部分组成:1)论文对多旋翼飞行器动力学分析所用坐标系进行了介绍,重点分析了三旋翼飞行器的飞行原理。分别采用欧拉角法和单位四元数法,基于牛顿–欧拉法,建立了四旋翼飞行器和三旋翼飞行器的动力学模型和运动学模型,并对其执行器发生故障时的动力学特性进行了分析,以便后续控制器分析、设计。2)针对四旋翼飞行器执行器发生部分失效故障时的姿态控制,分析其动力学特性,将执行器部分失效故障以乘性因子形式加入系统模型,得到故障动力学模型。同时考虑未知外部扰动力矩的影响,设计了一种基于自适应滑模算法的被动容错控制策略,并基于Lyapunov理论证明了所设计控制器的渐近稳定性。在四旋翼硬件在环仿真平台上进行了实时实验验证,结果表明该方法能够有效地抵消外部扰动力矩和执行器部分失效故障的影响,具有较好的鲁棒性。3)针对四旋翼飞行器执行器发生部分失效故障时的姿态控制,将故障矩阵与升力向量直接相乘,提高了模型准确性。引入浸入–不变集（Immersion and Invariance,I＆I）观测器对执行器故障进行实时观测。针对观测器设计中出现的偏微分方程无解的问题,引入状态估计向量构造全微分方程以保证方程有解。为了补偿状态变量与状态估计变量之间的偏差,设计动态增益因子,使状态估计误差渐近收敛于0。根据观测器的参数有界性分析,基于滑模控制算法设计了容错控制器对执行器故障进行实时补偿,并采用Lyapunov方法对系统稳定性进行了证明。借助硬件在环仿真实验,通过与传统滑模控制算法进行对比,结果表明论文所提控制策略具有更好的容错性能。4)针对倾转式三旋翼飞行器发生舵机堵塞故障时的姿态控制,设计了自适应滑模观测器对舵机故障进行观测,采用鲁棒误差符号函数积分（Robust Integral of the Signum of the Error,RISE）算法设计了容错控制器,同时对故障观测误差和外部扰动力矩进行补偿。采用Lyapunov理论对系统的稳定性进行了分析证明。设计、搭建了倾转式三旋翼飞行器硬件在环仿真平台,在该平台上对所提方法进行了实验验证,并与传统PID算法和反馈线性化算法分别进行了对比,结果表明该容错控制策略具有更好的容错效果。5)针对倾转式三旋翼飞行器舵机发生堵塞故障时的位姿控制,由于系统具有典型的欠驱动特性,将动力学模型分为高度子系统、外环平动位置子系统和内环姿态子系统。高度子系统和外环平动位置子系统采用I＆I自适应方法对模型参数不确定性进行补偿,得到外环子系统的虚拟控制输入和内环子系统控制目标。内环姿态子系统首先采用自适应滑模观测器对舵机堵塞故障进行观测,然后设计了RISE控制算法对故障观测误差和外部扰动进行补偿。采用Lyapunov方法对内外环系统的稳定性进行了证明。硬件在环仿真实验结果表明,论文所提方法对三旋翼飞行器舵机堵塞故障具有较好的容错性能。