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四旋翼飞行器具有广阔的民用和军用前景,近些年已受到国内外研究学者的广泛关注。四旋翼飞行器是一个四输入六输出的欠驱动、非线性、强耦合系统,给控制器的设计带来了不少难题。本文针对四旋翼飞行器的姿态控制与悬停控制进行了研究,搭建了四旋翼飞行器的样机,通过仿真和实验对所研究的算法进行了验证。本文的主要工作如下:(1)从分析四旋翼飞行器原理入手,建立了其动力学模型,搭建了四旋翼飞行器的实验平台,包括了四旋翼飞行器机械结构的设计与选材、硬件电路设计以及软件系统设计。其中硬件电路包括四旋翼飞行器飞控硬件电路和遥控硬件电路,两者的主控芯片均采用STM32F103VET6,使用蓝牙4.0模块HM-10进行通信。软件系统包括遥控系统的上位机以及四旋翼飞行器监控上位机。(2)研究了四旋翼飞行器姿态解算和姿态控制问题。采用三阶近似毕卡四元数算法解决四旋翼飞行器惯导系统中的姿态解算问题。将三阶近似毕卡四元数与卡尔曼滤波相结合,避免了陀螺仪的积分累积误差,有效消除了四旋翼飞行器机体振动引起的传感器测量误差。根据姿态解算得到的姿态角,设计了积分分离PID和串级PID控制器进行姿态控制,并在开发的四旋翼飞行器平台上验证了算法的有效性。(3)针对四旋翼飞行器悬停控制问题,提出了一种串级自抗扰控制方法。首先,根据欧拉及牛顿定理建立四旋翼飞行器的动力学模型,并解耦为双回路、多子系统的结构。其次,根据四旋翼飞行器系统的自身结构特点,设计了串级自抗扰控制器,为获取较好的内环输入信号,对外环设计线性ADRC控制器。同时,设计内环非线性ARDC控制器以获得更好的跟踪性能。特别地,针对系统内部参数摄动和存在外部干扰等不确定性,引入扩张状态观测器对系统的状态和内外扰动进行实时估计,并利用非线性误差反馈控制律进行补偿,抑制了内外扰动的影响。最后,仿真验证了所提控制策略的有效性和优越性。