随着现代控制理论的不断前进发展,机器自动化的能力也在不断提高。为了适应日益先进的控制理论和技术,倒立摆系统已成为研究人员验证理论和技术可行性的热门平台。倒立摆的控制方法也越来越多,如:传统的PID控制、遗传优化控制、滑模控制、线性二次型最优控制等等。为了推动控制技术的不断前进,倒立摆系统也越来越复杂,不仅反映在倒立摆数量的增加,还体现在倒立摆平台的多样性,如在小车上的倒立摆、在圆球上的倒立摆、在圆弧轨道上的倒立摆等等。本文研究的课题是在四旋翼飞行器上的倒立摆。这种特殊形式的倒立摆比在直线上,平面上的倒立摆复杂,因此有很好的研究意义,本文主要的研究内容如下:(1)对四旋翼倒立摆系统进行建模分析,主要将四旋翼倒立摆系统分成两个单独的系统建模分析,大大简化建模的难度。而在对系统进行建模的时候,有必要将实际环境下的不确定因素忽略掉,所以建模分析在假设的情况下进行。最后还对这些假设带来的误差进行分析,使模型的准确度得到提高。(2)对四旋翼倒立摆系统的控制算法进行分析和设计,由于倒立摆和四旋翼飞行器是两个单独的控制系统,而且外部干扰多,要求控制质量高,所以这里采用三个回路的级联控制器,分别是采用自抗扰控制器的四旋翼位置环、倒立摆控制环和基于卡尔曼滤波器、PID控制器的四旋翼姿态环。另外,在现实条件中,系统涉及了许多通信回路,因此会存在通信延时的问题,针对此问题,加入了通信延迟补偿,提高系统的可控性。(3)经过系统建模分析,在matlab软件上Simulink的系统进行仿真,先对倒立摆的控制环和四旋翼的位置环进行仿真,验证自抗扰控制器在此系统上具有很好的鲁棒性。最后整合整个控制系统进行仿真,实验结果表明,上面控制算法具有很好的控制性能和鲁棒性。(4)从硬件和软件上设计四旋翼倒立摆的实物实验平台,利用室内定位系统OptiTrack捕获四旋翼和倒立摆的位置信息,然后将位置信息发给四旋翼无人机,而无人机本身的惯性测量单元也将姿态信息作为输入,这样使系统形成一个闭环控制。最后测试系统实验平台的可行性。